CN114086155B - 气体喷头 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种气体喷头，气体喷头包括第一壳体，所述第一壳体具有进气口和与所述进气口连通的第一气室；第二壳体，所述第二壳体的一侧与所述第一壳体相连，所述第二壳体的另一侧设置有出气口，所述第二壳体中具有与所述第一气室相对应并与所述出气口相连的第二气室；筛板，位于所述第一壳体与所述第二壳体之间，所述筛板上具有多个筛孔，所述第一气室与所述第二气室通过所述多个筛孔相连通；其中，所述筛板上筛孔的通气能力随着其与进气口距离的增大而增加。通过控制第一气室的空间并采用通气量非均匀设计的筛板，使得气体可由第一气室和筛板进行均衡，降低气体进入第二气室的压力梯度，实现第二气室内气体层流，还可有效抑制涡流的产生。

Description

气体喷头
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，更具体地，涉及一种用于化学气相沉积的气体喷头。
背景技术
化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是指化学气体或蒸汽在基质表面反应合成涂层或纳米材料的方法，其中，又以金属有机化合物化学气相沉积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）较为常见。金属有机化合物化学气相沉积技术具有适用范围广，生长易于控制，外延层均匀性好，可以进行大规模生产等优点，所以受到广泛的应用。通常地，参与薄膜生长反应的气体由管路引导至MOCVD系统的反应腔中，经过气体喷头将气体匀化或分配至喷口，并按照预先设计的路径喷出。气体的均匀性会直接影响薄膜的性能，若要生长出沿基底晶圆径向组分均匀、轴向界面陡峭的薄膜材料，就要求分配反应气体的气体喷头能提供均匀的层流流场，并且要避免气体组分滞留。
现有的气体喷头，虽然都具有匀化气体的设计，使得从各喷口喷出的气体均匀性较好，但气体喷头的内部空间中通常会存在涡流区域，进而导致气体组分滞留，最终影响薄膜截面的陡峭性。
期望进一步改进气体喷头，在使气体匀化的同时，抑制气体喷头内部涡流的产生，以提升生成薄膜的质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的气体喷头，使得气体喷头能够在使气体匀化的同时，抑制气体喷头内部的涡流，提升气流的稳定性，进而提高生成薄膜的质量。
本发明提供一种气体喷头，其特征在于，包括:第一壳体，所述第一壳体具有进气口和与所述进气口连通的第一气室；第二壳体，所述第二壳体的一侧与所述第一壳体相连，所述第二壳体的另一侧设置有出气口，所述第二壳体中具有与所述第一气室相对应并与所述出气口相连的第二气室；筛板，位于所述第一壳体与所述第二壳体之间，所述筛板上具有多个筛孔，所述第一气室与所述第二气室通过所述多个筛孔相连通；其中，所述筛板上筛孔的通气能力随着其与进气口距离的增大而增加。
优选地，所述气体喷头包括多层独立的气流通道，每层气流通道包括相同的进气口、第一气室、筛板、第二气室和出气口。
优选地，所述进气口包括多个，多个所述进气口对称设置在所述第一气室的两侧，所述进气口的轴向与所述第一气室的延伸切向呈预设夹角，同一层气流通道的所述进气口采用相同流量输运同一种气体。
优选地，所述第一气室包括弧形或矩形，所述第一气室的截面面积不大于所述进气口截面面积的3倍。
优选地，所述筛板的厚度不大于1mm，所述多个筛孔的形状包括圆形、半圆形、扇形、三角形、矩形中的至少一种。
优选地，所述多个筛孔的尺寸相同，相邻筛孔间的距离从两侧至中间逐渐减小。
优选地，所述多个筛孔的孔径从所述进气口与所述第一气室的连接处至所述第一气室的中间位置逐渐增大。
优选地，所述第二气室包括扇形、半圆形、矩形中的至少一种，所述第二气室的高度不超过所述进气口直径的两倍，所述第二气室中沿气体流出方向的长度大于所述进气口直径的2.5倍。
优选地，所述出气口为尺寸相同的圆形，所述出气口分层设置，并与所述第二气室相对应，每层所述出气口沿直线均匀分布。
优选地，所述第二壳体还包括冷却水通道，所述冷却水通道位于所述出气口区域并与所述出气口错开，所述冷却水通道横向贯穿所述第二壳体。
本发明实施例提供的气体喷头，通过控制第一气室的空间，有效地抑制了涡流在进气口附近的产生，减小了气体记忆效应； 采用通气量非均匀设计的筛板，使得气体可由筛板进行再次均衡，降低气体进入第二气室的压力梯度，实现第二气室内气体层流；进一步地，第二气室呈扁平状，有利于气体在第二气室内充分发展，均衡压差，还可有效抑制涡流的产生，各层出气口沿直线均匀分布，该设计可以使各出气口流量均匀，各层气体层流喷出。在第二壳体出气口处还设置有冷却水通道，可以有效降低气体喷头的温度，使该气体喷头可在高温环境下长期使用，并减小气体在出气口处的预反应。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出了本发明实施例的气体喷头的结构示意图；
图2示出了本发明实施例的气体喷头的横向截面示意图；
图3示出了本发明实施例的气体喷头的纵向截面示意图；
图4示出了本发明实施例的气体喷头中筛板的正视图；
图5示出了本发明实施例的气体喷头的爆炸示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。
应当理解，在描述部件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将部件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1示出了本发明实施例的气体喷头的结构示意图；该气体喷头包括第一壳体110、第二壳体120和位于第一壳体110与第二壳体120之间的筛板（图中因遮挡未能示出）；第一壳体110与第二壳体120的连接面例如为弧形，第二壳体120背离第一壳体110的一侧设置有出气口121，第二壳体120中还设置有冷却水通道122，冷却水通道122横向贯通第二壳体120的左右两端，冷却水通道122例如位于出气口121的上下两侧，以降低出气口121及出气口121附近的气体温度，使该气体喷头能够在高温环境下长期使用，并减小气体在出气口121处的预反应。冷却水通道122的延伸方向与出气口121的方向垂直。该气体喷头的出气口121例如为圆形孔，该气体喷头包括多个相同尺寸的出气口121，多个出气口121分为三层排布，分别对应三层相同且相互独立的气体腔室设计，每层的出气口121都沿直线等间距设置。
图2为本发明实施例的气体喷头的横向截面示意图，由于三层气体腔室设计基本相同，故仅选取其中一层的横向截面进行详细说明，其余各层不再赘述。如图2所示，该气体喷头的第一壳体110例如呈拱形，其拱形底部具有呈弧形的第一气室112，在第一壳体110的左右两侧对称设置有进气口111，进气口111连通第一壳体110的上下两侧并与第一气室112相连；进气口111的轴向与第一气室112在该位置的延伸切向成一定夹角，并且同一层的两个进气口111需采用相同流量输运同一种气体，以保证第一气室112中气体的稳定。具体地，该第一气室112的截面面积不小于进气口111截面面积，不大于进气口111截面面积的3倍；优选地，该第一气室112的截面面积为进气口111截面面积的两倍。当然地，该第一气室112也可为长条状的矩形或其他类似形状，均可实现类似的技术效果。
该气体喷头的第二壳体120内具有第二气室123，第二气室123朝向第一壳体110的一侧为开口，第二气室123例如为扁平状，其截面大致为扇形，朝向第一气室112的一侧为弧形，背离第一气室112一侧类似于矩形。第一气室112与第二气室123之间具有筛板130，筛板130夹在第一壳体110与第二壳体120之间，筛板130上具有筛孔131，以使第一气室112与第二气室123连通，第二壳体120背离第一壳体110的一侧还设置有出气口121，第二气室123中的气体通过出气口121排出。具体地，气体由进气口111进入第一壳体110，筛板130可阻挡部分气体，使气体充满第一气室112，第一气室112内的气体通过筛板130上的筛孔131均匀地进入第二气室123，再通过与筛板130相对设置的出气口121从第二气室123中排出。进一步地，第二气室123沿气体流出方向的长度例如不小于进气口直径的2.5倍，该尺寸设计有利于气体在第二气室123内充分发展，均衡压差，还可有效抑制涡流的产生，使出气口流量更加均匀稳定。当然地，第二气室123的形状并不限于上述的扇形，其也可为半圆形、矩形等。
由于第一气室112呈狭长的弧形，进气口111的轴向与第一气室112的延伸方向成一定夹角，再结合筛板130的阻挡，使得第一气室112可以有效抑制涡流在进气口111附近产生，极大程度的减小了气流的记忆效应。筛板130上的筛孔131例如采用非均匀设计，筛板130上距离进气口111越近的区域其通气量越小，使得通过筛孔131进入第二气室123的气流更加均匀，第二气室123的尺寸也使得气体在其内可以充分发展，均衡压差、抑制涡流。
图3示出了本发明实施例的气体喷头的纵向截面示意图；在该实施例中，由第一壳体110与第二壳体120组成的气体喷头共包括三层独立的气体腔室，每层腔室具有相同的设计，每层腔室均包括进气口111、第一气室112、筛板130、第二气室123和出气口121；出气口121的上下两侧均设置有冷却水通道122，冷却水通道122的截面例如为L形或T形以至少部分延伸至第二气室123中靠近出气口121的区域，以获得更大的冷却面积，第一气室112中的气体通过筛板130上的筛孔131进入第二气室123，筛板130夹在第一壳体110和第二壳体120之间，进一步地，在第一壳体110与第二壳体120的接触面还可环绕第二气室123的开口设置密封垫，以避免气体在第一壳体110与第二壳体120的接缝处泄露，并确保各层腔室的相互独立。
图4示出了本发明实施例的气体喷头中筛板的正视图，如图4所示，该筛板130为长条形，厚度不大于1mm，其上具有若干阵列排布的筛孔131，具体地，该筛板130的厚度例如为0.2mm，若干筛孔131均为尺寸相同的圆形孔，采用非均匀排布，靠近两侧进气口111位置的筛孔131分布密度小，越靠近中间位置的筛孔131的分布密度越大，即随着筛孔131与进气口111的距离的增大，相邻筛孔131之间的间距d减小。当然地，该设计的目的是使通过筛板130进入第二气室123中的气流更加均匀，上述方案也可替换为采用密度均匀分布但孔径不同的筛孔131，随着远离进气口，其孔径逐步增大。
图5示出了本发明实施例的气体喷头的爆炸示意图，如图5所示，为了满足加工需求，该气体喷头被分为了第一壳体110、第二壳体120和位于第一壳体110与第二壳体120之间的筛板130共三部分；其中，第一壳体110中朝向第二壳体120的一侧具有呈狭长弧形的第一气室112，第一气室112的左右两侧对称设置有进气口111，第二壳体120中具有第二气室123（因遮挡图中未示出），第二气室123与第一气室112相对应。该气体喷头具有三层气体腔室设计，每层的第一气室112与第二气室123之间均设置有一筛板130，筛板130例如也为弧形，且与第一壳体110与第二壳体120的连接面相匹配。第二壳体120中还设置有冷却水通道122，冷却水通道122横向贯通第二壳体120的左右两端，冷却水通道122例如位于出气口121的上下两侧，以降低出气口121及出气口121附近的气体温度。当然地，该气体喷头也可仅包括单层或双层或更多层的气体腔室设计，其同样应落在本发明的范围之内。
本发明实施例提供的气体喷头，通过控制第一气室的空间，有效地抑制了涡流在进气口附近的产生，减小了气体记忆效应； 采用通气量非均匀设计的筛板，使得气体可由筛板进行再次均衡，降低气体进入第二气室的压力梯度，实现第二气室内气体层流；进一步地，第二气室呈扁平状，有利于气体在第二气室内充分发展，均衡压差，还可有效抑制涡流的产生，各层出气口沿直线均匀分布，该设计可以使各出气口流量均匀，各层气体层流喷出。在第二壳体出气口处还设置有冷却水通道，可以有效降低气体喷头的温度，使该气体喷头可在高温环境下长期使用，并减小气体在出气口处的预反应。
在以上的描述中，对于各部件的构图、加工方式等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的腔体和孔洞等。另外，尽管在以上分别描述了各部件以及拓展变形，但是这并不意味着各个实施例中的拓展变形不能有利地结合使用。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种气体喷头，其特征在于，包括:
第一壳体，所述第一壳体具有进气口和与所述进气口连通的第一气室；
第二壳体，所述第二壳体的一侧与所述第一壳体相连，所述第二壳体的另一侧设置有出气口，所述第二壳体中具有与所述第一气室相对应并与所述出气口相连的第二气室；
筛板，位于所述第一壳体与所述第二壳体之间，所述筛板上具有多个筛孔，所述第一气室与所述第二气室通过所述多个筛孔相连通；
其中，所述筛板上筛孔的通气能力随着其与进气口距离的增大而增加。
2.根据权利要求1所述的气体喷头，其特征在于，所述气体喷头在纵向方向包括多层独立的横向延伸的气流通道，每层所述气流通道的结构均相同，每层所述气流通道均包括所述进气口、所述第一气室、所述筛板、所述第二气室和所述出气口。
3.根据权利要求2所述的气体喷头，其特征在于，所述进气口包括多个，多个所述进气口对称设置在所述第一气室的两侧，所述进气口的轴向与所述第一气室的延伸切向呈预设夹角，同一层所述气流通道的所述进气口采用相同流量输运同一种气体。
4.根据权利要求1所述的气体喷头，其特征在于，所述第一气室的截面形状包括弧形或矩形，所述第一气室的截面面积不大于所述进气口截面面积的3倍。
5.根据权利要求1所述的气体喷头，其特征在于，所述筛板的厚度不大于1mm，所述多个筛孔的形状包括圆形、半圆形、扇形、三角形、矩形中的至少一种。
6.根据权利要求3所述的气体喷头，其特征在于，所述多个筛孔的尺寸相同，相邻筛孔间的距离从所述筛板的两侧至所述筛板的中间逐渐减小。
7.根据权利要求3所述的气体喷头，其特征在于，所述多个筛孔的孔径从所述进气口与所述第一气室的连接处至所述第一气室的中间位置逐渐增大。
8.根据权利要求1所述的气体喷头，其特征在于，所述第二气室的截面形状包括扇形、半圆形、矩形中的至少一种，所述第二气室的高度不超过所述进气口直径的两倍，所述第二气室中沿气体流出方向的长度大于所述进气口直径的2.5倍。
9.根据权利要求2所述的气体喷头，其特征在于，所述出气口为尺寸相同的圆形，所述出气口分层设置，并与所述第二气室相对应，每层所述出气口沿直线均匀分布。
10.根据权利要求1所述的气体喷头，其特征在于，所述第二壳体还包括冷却水通道，所述冷却水通道位于所述出气口区域并与所述出气口错开，所述冷却水通道横向贯穿所述第二壳体。
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