CN115505903B - 气体注入机构及其制作方法、气相反应装置 - Google Patents

气体注入机构及其制作方法、气相反应装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种气体注入机构，包括位于中间区域的第一气体注入机构，以及位于外围区域的第二气体注入机构，第二气体注入机构包括若干第二气体输送通道，至少部分第二气体输送通道包括彼此连接的管状通道及锥体状通道，锥体状通道的锥轴在其底面形心所在切平面上的投影与气体注入机构的主轴线之间形成角管状通道的管轴在所述底面形心所在切平面上的投影与主轴线之间形成角并且和中至少一个不为0。第二气体输送通道喷出的第二气体形成旋转气流，旋转气流的旋转方向与承载盘在反应过程中的旋转方向一致，由此抑制或完全消除反应腔室内涡流的产生。本发明还提供了气体注入机构的制作方法及气相反应装置。

Description

气体注入机构及其制作方法、气相反应装置
技术领域
本发明涉及半导体器件及装置技术领域，特别涉及一种气体注入机构及其制作方法及一种气相反应装置。
背景技术
反应腔室是半导体器件制程中至关重要的腔室，其中气相反应装置的反应腔室是由气体带入反应物及建立流场的。例如，对于通过气相反应生长材料的反应腔室，在进行工艺生长过程中，气体源物料的输送及生长反应后副产物的带走，是通过载气与反应物气体共同建立的反应腔室流场完成的。
在气流中承载材料生长基片的承载盘，在材料生长过程中通常是旋转的，而对于承载盘需要旋转的反应腔，由于承载盘的旋转，在承载盘外边缘附近的气流，气体除了有沿着反应腔主轴方向的流动速度，还有被承载盘拖拽形成的切向流动速度。切向流动速度的存在，会增大边缘流场气流的总速度，尤其是承载盘高速旋转的情况下，切向流动速度较大，会在承载盘边缘区域来流方向的流场中产生涡旋。气体涡旋会对腔体的使用带来多方面的负面影响：降低涡流区域及附近区域基片上生长材料的均匀性；降低腔体生长环境及生长工艺的稳定性等。
对于气体携带反应物的反应腔室，在进行实际的材料生长过程中，气流流场的分布与形态通常通过对如下三个整体工艺参数进行调整：反应腔工艺总气量、反应腔压力、承载盘转速。通过以上三个整体工艺参数的设定调整，可以在一定的方向和范围内抑制及消除上述气体涡旋；但如此的调整本身就对可用的工艺参数范围产生了限制。并且，在这些整体工艺参数的调整以消除气体涡旋的过程中，往往会增大载气气体和源物料气体的用量，造成源物料使用效率降低，增加了物料耗用量和生长成本。
发明内容
鉴于现有技术中气相反应装置存在的上述缺陷，本发明提供一种气体注入机构及其制作方法、气相反应装置，以解决上述一个或多个问题。
为了达到上述目的，第一方面本发明提供一种气体注入机构，该气体注入机构包括：
第一气体注入机构，用于输送第一气体，位于所述气体注入机构的中间区域，所述第一气体注入机构包括若干第一气体输送通道；
第二气体注入机构，用于输送第二气体，位于所述气体注入机构的外围区域，并且环绕所述第一气体注入机构；所述第二气体注入机构包括相对设置的第一侧和第二侧，所述第一侧配置为出气侧，定义一与所述第一侧所在面垂直且经过所述气体注入机构出气面的几何中心的主轴线；所述第二气体注入机构包括若干第二气体输送通道，至少部分所述第二气体输送通道为旋转气流通道；
其中，每个所述旋转气流通道包括自所述第二侧向所述第一侧贯通延伸的管状通道及与所述管状通道连通的锥体状通道，所述锥体状通道的锥底位于所述第一侧；
其中，定义经过所述锥体状通道的底面形心O点的关于所述主轴线的切平面为所述锥体状通道的底面形心O点所在切平面，所述锥体状通道的锥轴在其底面形心O点所在切平面上的投影与所述主轴线之间具有角与所述锥体状通道连通的所述管状通道的管轴在所述锥体状通道的底面形心O点所在切平面上的投影与所述主轴线之间具有角/>并且所述角/>和所述角/>中至少一个不为0，使得所述第二气体沿着所述旋转气流通道喷出形成旋转气流，且所述旋转气流的旋转方向与位于所述气相反应装置中和所述气体注入机构相对设置的承载盘在反应过程中的旋转方向一致。
可选地，在每个所述旋转气流通道中，所述角与所述角/>的大小相同，并且所述锥轴和所述管轴相互平行或共线。
可选地，所述角与所述角/>中至少一个大于或等于5°。
可选地，所述锥体状通道的锥底为非圆形。
可选地，所述锥体状通道的锥底为椭圆形、菱形、矩形、三角形、半圆形及多边形中的任意一种。
可选地，至少部分所述旋转气流通道至少具有以下特征中的一个：
(1)所述角相同；
(2)所述角相同；
(3)所述锥底的面积相同。
可选地，至少部分所述第二气体输送通道在所述外围区域呈环形分布或扇环形分布。
可选地，所述第二气体输送通道排布成多个同心环形区域，各个所述同心环形区域中具有相同数量的所述第二气体输送通道，或者至少两个同心环形区域中，第二气体输送通道的数量不同。
可选地，最外侧环形区域的面积不小于最内侧环形区域的面积，或者所述同心环形区域的面积由最内侧环形区域至最外侧环形区域逐渐增大。
可选地，所述旋转气流通道至少具有以下特征中的一个：
(1)最外侧环形区域中所述锥底的面积不小于最内侧环形区域中所述锥底的面积，或者所述锥底的面积由最内侧环形区域至最外侧环形区域逐渐增大；
(2)最外侧环形区域中的所述角的平均值不小于最内侧环形区域中的所述角的平均值，或者所述/>的平均值由最内侧环形区域至最外侧环形区域逐渐增大；
(3)最外侧环形区域中的所述角的平均值不小于最内侧环形区域中的所述角的平均值，或者所述/>的平均值由最内侧环形区域至最外侧环形区域逐渐增大。
可选地，至少部分所述旋转气流通道的所述锥轴所在的垂面与所述锥体状通道的底面形心所在的切平面之间具有角θ1，所述管轴所在的垂面与所述锥体状通道的底面形心所在的切平面之间具有角θ2，并且所述角θ1和所述角θ2中至少一个不为0，其中，定义：经过所述锥体状通道的底面形心O点的关于所述主轴线的切平面为所述底面形心O点所在切平面，经过所述锥体状通道的底面形心O点并平行于所述主轴线的直线为O点的轴向线，经过所述管轴在所述管状通道与所述锥体状通道连接处的端点O2点并平行于所述主轴线的直线为O2点的轴向线，所述锥轴所在的垂面为所述锥轴与O点的轴向线张成的平面，所述管轴所在的垂面为所述管轴与O2点的轴向线张成的平面。
可选地，所述角θ1与所述角θ2的大小相同，并且所述锥轴所在的垂面与所述管轴所在的垂面相对所述锥体状通道的底面形心所在的切平面的偏斜方向一致。
可选地，所述第二气体注入机构输送的所述第二气体来自同一供气端，并使得所述第二气体注入机构输送的气体被统一调控。
可选地，所述气相反应装置包括至少一个隔离件，所述隔离件将所述第二气体注入机构分隔成相互独立的多个子区域，至少两个所述子区域中输送的所述第二气体被独立调控。
可选地，所述第二气体注入机构覆盖所述承载盘的边缘，且覆盖面积不超过所述承载盘面积的36％。
可选地，所述第二气体注入机构位于所述承载盘的外侧。
可选地，所述第一气体自所述第一气体输送通道喷出形成的气流方向与所述主轴线之间形成的角度范围为0～90°。
可选地，所述第一气体为反应源气体和载气，用于反应生成目标产物，所述第二气体为吹扫气体、载气、反应源气体中的一种或多种，所述第二气体相互之间不发生反应，或者所述第二气体相互之间反应但不生成所述目标产物。
第二方面，本发明提供了一种气相反应装置，其包括：
反应腔室；
承载盘，设置在所述反应腔室中，所述承载盘在反应过程中的旋转速度≥200RPM；
气体注入机构，与所述承载盘相对设置，所述气体注入机构为第一方面所述的气体注入机构。
第三方面，本发明提供了一种气体注入机构的制作方法，所述气体注入机构用于气相反应装置，所述气体注入机构包括位于中间区域的第一气体注入机构，以及位于外围区域并且环绕所述第一气体注入机构的第二气体注入机构，其中，制作所述第二气体注入机构的方法包括下列步骤：
S1：提供一具有一定厚度的主体，所述主体包括相对设置的第一侧和第二侧，所述第一侧配置为出气侧，定义一与所述主体的第一侧所在面垂直且经过所述气体注入机构出气面的几何中心的主轴线；
S2：沿着使气体从所述第二气体注入机构喷出形成旋转气流的旋转方向与位于所述气相反应装置中和所述气体注入机构相对设置的承载盘在反应过程中的旋转方向一致的方向，使用具有一锥顶角的圆锥形钻头在所述主体沿第一方向自所述第一侧对所述主体开凿，获得若干限定一锥轴的锥体状通道，每个所述锥体状通道的锥底位于所述第一侧，每个所述锥体状通道的锥顶位于所述第一侧与所述第二侧之间的主体中；
S3：使用具备一直径的圆柱形钻头沿第二方向自每个所述锥顶向所述第二侧开凿，或者自所述第二侧向每个所述锥顶开凿，获得若干管状通道，所述管状通道与所述锥体状通道一一对应连通以形成若干在厚度方向上贯穿所述主体的第二气体输送通道；
其中，定义经过所述锥体状通道的底面形心O点的关于所述主轴线的切平面为所述锥体状通道的底面形心O点所在切平面，在至少部分所述第二气体输送通道中，所述第一方向使所述锥体状通道的锥轴在其底面形心O点所在切平面上的投影与所述主轴线之间具有角所述第二方向使所述管状通道的管轴在所述锥体状通道的底面形心O点所在切平面上的投影与所述主轴线之间具有角/>所述角/>和角/>中至少一个不为0，从而使得至少部分所述第二气体输送通道形成为旋转气流通道。
第四方面，本发明提供了另一种气体注入机构的制作方法，所述气体注入机构用于气相反应装置，所述气体注入机构包括位于中间区域的第一气体注入机构，以及位于外围区域并且环绕所述第一气体注入机构的第二气体注入机构，其中，制作所述第二气体注入机构的方法包括下列步骤：
S1：提供一具有一定厚度的主体，所述主体包括相对设置的第一侧和第二侧，所述第一侧配置为出气侧，定义一与所述主体的第一侧所在面垂直且经过所述气体注入机构的几何中心的主轴线；
S2：使用具有一锥顶角的圆锥形钻头在所述主体沿第一方向自所述第一侧对所述主体开凿，获得一锥体状通道，所述锥体状通道的锥底位于所述第一侧，所述锥体状通道的锥顶位于所述第一侧与所述第二侧之间的主体中；
S3：使用具备一直径的圆柱形钻头沿第二方向自所述锥顶向所述第二侧开凿，或者自所述第二侧向所述锥顶开凿，获得一管状通道，所述管状通道与所述锥体状通道对应连通以形成在厚度方向上贯穿所述主体的第二气体输送通道；
S4：沿着使气体从所述第二气体注入机构喷出形成旋转气流的旋转方向与位于所述气相反应装置中和所述气体注入机构相对设置的承载盘在反应过程中的旋转方向一致的方向，重复上述步骤S2～S3，形成若干第二气体输送通道；
其中，定义经过所述锥体状通道的底面形心O点的关于所述主轴线的切平面为所述锥体状通道的底面形心O点所在切平面，在至少部分所述第二气体输送通道中，所述第一方向使所述锥体状通道的锥轴在其底面形心O点所在切平面上的投影与所述主轴线之间具有角所述第二方向使所述管状通道的管轴在所述锥体状通道的底面形心O点所在切平面上的投影与所述主轴线之间具有角/>所述角/>和角/>中至少一个不为0，从而使得至少部分所述第二气体输送通道形成为旋转气流通道。
可选地，在至少部分所述第二气体输送通道中，所述第一方向还使所述旋转气流通道的所述锥轴所在的垂面与所述锥体状通道的底面形心所在的切平面之间具有角θ1，所述第二方向还使所述管轴所在的垂面与所述锥体状通道的底面形心所在的切平面之间具有角θ2，并且所述角θ1和所述角θ2中至少一个不为0，其中，定义：经过所述锥体状通道的底面形心O点并平行于所述主轴线的直线为O点的轴向线，经过所述管轴在所述管状通道与所述锥体状通道连接处的端点O2点并平行于所述主轴线的直线为O2点的轴向线，所述锥轴所在的垂面为所述锥轴与O点的轴向线张成的平面，所述管轴所在的垂面为所述管轴与O2点的轴向线张成的平面。
如上所述，本发明的气体注入机构及其制作方法、气相反应装置，具有以下有益效果：
本发明的气体注入机构用于气相反应装置，包括位于中间区域的第一气体注入机构，以及位于外围区域环绕第一气体注入机构的第二气体注入机构，第二气体注入机构包括若干第二气体输送通道，至少部分第二气体输送通道包括管状通道及锥体状通道，锥体状通道的锥顶与管状通道连接，锥体状通道的锥底为出气面，并且出气面为非圆形出气面。锥体状通道的锥轴在其底面形心O点所在切平面上的投影与主轴线之间具有角与所述锥体状通道连通的管状通道的管轴在所述锥体状通道的底面形心O点所在切平面上的投影与主轴线之间具有角/>并且角/>和角/>中至少一个不为0，第二气体输送通道的上述特殊设置，使得位于外围区域的第二气体沿着所述第二气体输送通道喷出形成旋转气流，并且旋转气流的方向与反应装置中的承载盘在反应过程中的旋转方向一致，所述旋转气流具有切向的速度和动量，使得反应腔室内中间流场气流与边缘流场气流的相对速度减小，因此使得反应腔室内的流场在边缘区域的流动撞击混合及流线转向过程更平稳，由此抑制或完全消除反应腔室内涡流的产生，使得反应腔流场的层流特性更加稳定。同时也扩大了整体工艺参数，例如反应腔室的工艺总气量、反应腔室的压力、承载盘转速等的可使用范围。上述工艺参数的可使用范围的扩大进一步地能够帮助提高载气和源物料气体的利用率，因此能够有效降低材料生长的成本。同时还能够减少反应腔中承载盘上的生长材料中出现的颗粒缺陷，提高产品的良率。对于承载盘高转速旋转(转速在200RPM以上)的情况，上述效果尤为明显。
具有上述气体注入机构的气相反应装置能够减少、抑制气流涡旋的产生，获得均匀稳定的气体流场，从而扩大工艺参数的可设置范围，帮助提高载气和源物料气体的利用率，因此能够有效降低材料生长的成本。
附图说明
图1显示为本发明实施例一提供的气体注入机构所在的气相反应装置的反应腔室的主视剖面示意图。
图2显示为图1中的气体注入机构的仰视示意图。
图3显示为一可选实施例中气体注入机构的仰视示意图。
图4显示为图2所示的气体注入机构的第二气体注入机构的仰视示意图。
图5显示为图2所示的气体注入机构的第二气体注入机构的俯视视角的立体结构示意图。
图6显示为沿图4中的线H-H的侧视剖面图。
图7显示为图5所示的第二气体注入机构的径向A-A的剖视示意图，并以俯视视角示出了第二气体注入机构的立体透视结构。
图8显示为本发明的实施例二提供的气体注入机构的第二气体注入机构的仰视结构示意图，其中，采用局部透视的方式显示了第二气体注入机构中的管状通道。
图9显示为图8中P部分的局部放大图。
图10显示为图8所示的第二气体注入机构的径向剖视示意图，并以俯视视角示出了第二气体注入机构的立体透视结构。
图11显示为本发明的实施例三提供的气体注入机构的第二气体注入机构的俯视视角的立体结构示意图。
元件标号说明
100 气体注入机构 1023第三子区域
101 第一气体注入机构 1024第一侧
1010 第一气体输送通道 1025第二侧
1010-1 第一缝隙 103 隔离件
1010-2 第二缝隙 110 第一圆周
102(102')(102”) 第二气体注入机构 120 第二圆周
1020(1020')(1020”) 第二气体输送通道 130 第三圆周
1026 旋转气流通道 200 反应腔室
1026-1(1026'-1) 锥体状通道 201 承载盘
1026-2(1026'-2) 管状通道 300 供气端
1021 第一子区域 301 供气管路
1022 第二子区域
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例一
本实施例提供一种气体注入机构100，气体注入机构100用于图1所示的气相反应装置，气体注入机构100设置在气相反应装置的反应腔室200中，用于将反应气体输送到反应腔室200中，反应腔室200中设置有承载盘201，气体注入机构100与承载盘201相对设置。气相反应装置例如可以是气相沉积装置，具体地，可以是化学气相沉积装置、物理气相沉积装置、等离子体增强气相沉积装置、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)装置等。本实施例以MOCVD装置的气体注入机构为例进行说明。应该理解的是该装置仅仅是示例性的，本发明并不限于这一种装置。
如图1所示，本实施例的气相反应装置具有一反应腔室200，气相反应装置的反应腔室200的横截面一般为圆形或者类圆形结构，或者可以是矩形结构及其他本领域技术人员所公知的结构，在此不作赘述。反应腔室200可以是垂直方向进气的垂直流腔室，也可以是中心进气的水平流腔室。反应腔室200可以是气体注入机构100与承载盘201相对设置，且气体注入机构100位于上部、承载盘201位于下部的正置式腔室，也可以是气体注入机构100与承载盘201相对设置，且承载盘201位于上部、气体注入机构100位于下部的倒置式腔室。为了便于描述，本实施例以图1所示的反应腔室200的横截面为圆形，且气体注入机构100位于上部、承载盘201位于下部的正置式垂直流腔室为例对气体注入机构100进行说明。
参照图1和图2，所示，反应腔室200中设置有用于承载待处理基片的承载盘201，承载盘201在气相反应期间绕旋转轴线A旋转。气体注入机构100与承载盘201相对设置，例如气体注入机构100设置在反应腔室200的顶部，向反应腔室200内注入气体，承载盘201位于气体注入机构100的下方。本实施例提供的气体注入机构100整体上呈现圆盘状结构，包括输送第一气体的第一气体注入机构101以及输送第二气体的第二气体注入机构102。其中第一气体注入机构101位于气体注入机构100的中间区域，第二气体注入机构102位于气体注入机构100的外围区域，并且环绕第一气体注入机构101设置。该气相反应装置还包括供气端300和供气管路301，供气端300通过供气管路301与第一气体注入机构101和第二气体注入机构102连接，用于向第一气体注入机构101供应第一气体，向第二气体注入机构102供应第二气体。优选地，在气相反应期间，第二气体的平均分子量大于等于第一气体的平均分子量。
同样参照图1所示，第二气体注入机构102具有相对设置的第一侧1024和第二侧1025，该第一侧1024为面向承载盘201的出气面。同样地，第一气体注入机构101也同样具有面向承载盘201的出气面。定义一主轴线B，该主轴线B与第一侧1024所在面(可以等效为圆盘状气体注入机构100的出气面)垂直且经过气体注入机构100的几何中心，主轴线B与承载盘201的旋转轴线A可以平行，也可以不平行，优选地，主轴线B与承载盘201的旋转轴线A平行，优选地，主轴线B与旋转轴线A重合。
如图2所示，示出了气体注入机构100的仰视剖面示意图。应该理解的是，在本发明中，所说的“仰视”为沿着第一侧1024向第二侧1025方向观察的视图方向，“俯视”为沿着第二侧1025向第一侧1024方向观察的视图方向。
如图2所示，第一气体注入机构101包括若干第一气体输送通道1010，该第一气体输送通道1010分布在第一气体注入机构101中。在该实施例中，第一气体输送通道1010设置为缝隙状通道，该缝隙状通道沿同一方向延伸。在气相反应期间，第一气体为反应源气体和载气，用于反应生成目标产物。示例性地，对于III-V族MOCVD而言，第一气体为III族金属有机源气体、V族氢化物源气体和载气。第一气体输送通道1010包括第一缝隙1010-1和第二缝隙1010-2，第一缝隙1010-1用于将III族金属有机源气体和载气输送至气相反应区域，第二缝隙1010-2用于将V族氢化物源气体和载气输送至气相反应区域，从而提供III族金属有机源气体和V族氢化物源气体在待处理基片上发生反应生成III-V族化合物。
优选的，第一缝隙1010-1和第二缝隙1010-2交替排布在第一气体注入机构101中。优选的，交替排布的第一缝隙1010-1和第二缝隙1010-2之间还包括第三缝隙(未图示)，不含反应气体且不与反应气体反应的载气(或吹扫气体)由第三缝隙中流出。
在本实施例的另一可选实施例中，如图3所示，第一气体输送通道1010为孔型结构，例如可以是圆形孔、椭圆形孔、菱形孔等类似孔结构。这些孔可排布为同心圆环区域，或是条状间隔分布区域，或是几组孔交错分布，或是若干扇形区域等，本领域技术人员可以根据实际的工艺需求自行调整孔分布的形状、位置关系等，在此不作限定。
在本实施例的另一可选实施例中，第一气体输送通道还可以是缝隙状通道和孔型结构的组合，其中缝隙通道和孔型结构的分布、形状及位置关系，同样可以根据实际的工艺需要进行调整。
在本实施例中，自第一气体输送通道1010喷出的第一气体形成的气流方向与主轴线B平行，即第一气体输送通道1010为垂直气流通道，形成的气流方向垂直朝向承载盘201。
同样参照图2和图3，本实施例中，第二气体注入机构102包括若干个第二气体输送通道1020，用于输送第二气体，该第二气体可以是吹扫气体、载气、反应源气体中的一种或多种，优选地，第二气体相互之间不发生反应或者相互之间反应但不生成目标产物。如果第二气体注入机构102通入参与反应的全部反应源，会造成不必要的生长(如在器壁上沉积)，而且浪费源气体，降低设备的维护周期，另外，还会有部分反应源进入内部气相反应区域，影响生长材料的均匀性。本实施例中第二气体输送通道1020通入的第二气体相互之间不发生反应或者相互之间反应但不生成目标产物，因此能够有效避免上述问题，提高生长材料的均匀性。示例性地，对于III-V族MOCVD而言，第二气体可以是V族氢化物源气体和载气、或吹扫气体。
如图4和图5所示，若干个第二气体输送通道1020可以任意方式分布在第二气体注入机构102中。本实施例中，至少部分第二气体输送通道1020为旋转气流通道1026，也即第二气体输送通道1020可以全部是旋转气流通道1026(第二气体沿着旋转气流通道1026喷出形成旋转气流)，还可以是类似第一气体输送通道1010的垂直气流通道(形成的气流方向垂直朝向承载盘)和旋转气流通道1026的组合。
如图6和图7，分别示出了图4中的线H-H的侧视剖面图以及图5所示的径向A-A的剖视示意图，以此来说明旋转气流通道1026的结构。如图6和图7所示，旋转气流通道1026包括自第二侧1025向第一侧1024贯通延伸的的管状通道1026-2及与管状通道1026-2连通的锥体状通道1026-1。锥体状通道1026-1的锥顶与管状通道1026-2连通，锥体状通道1026-1的锥底位于第二气体注入机构102的第一侧1024，为出气面，并且出气面为非圆形出气面，例如可以是椭圆形、菱形、矩形、三角形、半圆形或多边形等。优选地，如图7所示，锥体状通道1026-1的锥底为椭圆形。
本实施例中，定义：锥体状通道1026-1的锥体底面形心为O点(锥体底面形心即为锥底的几何中心)，经过锥体状通道1026-1的底面形心O点的关于主轴线B的切向线为O点的切向线，经过锥体状通道1026-1的底面形心O点并平行于主轴线B的直线为O点的轴向线，底面形心O点所在切平面为经过底面形心O点的关于主轴线B的切平面，也即所述O点的切向线与所述O点的轴向线张成的平面。
锥体状通道1026-1的锥轴在其底面形心O点所在切平面上的投影与主轴线B之间具有角即锥体状通道1026-1的锥轴在其底面形心O点所在切平面上的投影相对于主轴线B可以是倾斜的，也可以是平行的；与所述锥体状通道1026-1连通的管状通道1026-2的管轴在所述锥体状通道1026-1的底面形心O点所在切平面上的投影与主轴线B之间具有角/>即管状通道1026-2的管轴在所述底面形心O点所在切平面上的投影相对于主轴线B可以是倾斜的，也可以是平行的。但角/>和角/>中至少一个不为0，即如果锥体状通道1026-1的锥轴在其底面形心O点所在切平面上的投影平行于主轴线B/>则管状通道1026-2的管轴在所述锥体状通道1026-1的底面形心O点所在切平面上的投影相对于主轴线B是倾斜的/>或者如果管状通道1026-2的管轴在所述锥体状通道1026-1的底面形心O点所在切平面上的投影平行于主轴线B/>则锥体状通道1026-1的锥轴在其底面形心O点所在切平面上的投影相对于主轴线B是倾斜的/>或者管状通道1026-2的管轴在所述锥体状通道1026-1的底面形心O点所在切平面上的投影相对于主轴线B是倾斜的同时锥体状通道1026-1的锥轴在其底面形心O点所在切平面上的投影相对于主轴线B也是倾斜的/>锥体状通道1026-1的锥轴和/或管状通道1026-2的管轴在锥体状通道1026-1的底面形心O点所在切平面上的投影与主轴线B之间存在上述角度，也就意味着自旋转气流通道1026喷出的气体的气流速度包括切向分量和轴向分量，如此形成旋转气流通道1026。
为了便于理解，本实施例以锥体状通道1026-1的锥轴及管状通道1026-2的管轴均位于所述锥体状通道1026-1的底面形心O点所在切平面上为例，结合图4及图6所示，图6显示为沿图4中的线H-H的侧视剖面图，过线H-H的剖面即为图4中标记的旋转气流通道1026的锥体状通道1026-1的底面形心O点所在切平面。定义锥体状通道1026-1的锥顶为O1点，管状通道1026-2的管轴在管状通道1026-2与锥体状通道1026-1连接处的端点为O2点，管状通道1026-2位于第二气体注入机构102的第二侧1025的一端的几何中心为O3点，即O点与O1点的连线为锥体状通道1026-1的锥轴OO1，O2点和O3点的连线为管状通道1026-2的管轴O2O3，经过锥体状通道1026-1的底面形心O点并平行于主轴线B的直线为O点的轴向线ON。此情形下，锥体状通道1026-1的锥轴OO1在其底面形心O点所在切平面上的投影即为锥体状通道1026-1的锥轴OO1本身，与所述锥体状通道1026-1连通的管状通道1026-2的管轴O2O3在所述锥体状通道1026-1的底面形心O点所在切平面上的投影即为管状通道1026-2的管轴O2O3本身。此时，锥体状通道1026-1的锥轴OO1与ON(ON平行于主轴线B)之间具有角管状通道1026-2的管轴O2O3与O2N'(O2N'平行于主轴线B)之间具有角/>并且，角/>和角/>中至少一个不为0。
对于锥体状通道1026-1的锥轴及管状通道1026-2的管轴不位于所述锥体状通道1026-1的底面形心O点所在切平面上的情形，不难理解，只要锥体状通道1026-1的锥轴和/或管状通道1026-2的管轴在锥体状通道1026-1的底面形心O点所在切平面上的投影与所述O点的轴向线(与主轴线B平行)之间存在角度(一般来说，就实际加工及应用而言，该角度不为90°)，就可以使从通道喷出的气体的气流速度包括切向分量和轴向分量，则该通道形成为旋转气流通道1026。所述第二气体注入机构102包括若干个所述旋转气流通道1026，则在反应过程中从所述第二气体注入机构102喷出的气体形成为旋转气流。
外部供气端300提供的第二气体通过旋转气流通道1026流至反应腔室200内，多个旋转气流通道1026在第二气体注入机构102第一侧1024的排布使得当所述第二气体从旋转气流通道1026喷出时形成旋转气流，旋转气流既具有轴向的速度和动量，也具有切向的速度和动量。
在本实施例中，旋转气流通道1026在第二气体注入机构上的排列使得旋转气流的旋转方向与位于气相反应装置中与气体注入机构100相对设置的承载盘201在反应过程中的旋转方向一致。这是由于承载盘201边缘的气流会由于承载盘的拖拽而存在一个切向速度(尤其是对于高速旋转(转速在200RPM以上)的承载盘而言，切向速度更大)，其与来流(一般为轴向的来流)会产生碰撞并混合，从而在承载盘201边缘来流方向产生涡流。使旋转气流的旋转方向与承载盘201在反应过程中的旋转方向一致，边缘来流由轴向来流变为了带有同方向切向速度的来流，使得反应腔室200内边缘流场气流的相对速度减小，因此使得反应腔室200内的流场在边缘区域的流动撞击混合及流线转向过程更平稳，由此抑制或完全消除反应腔室200内涡流的产生，使得反应腔室200中流场的层流特性更加稳定。如果使旋转气流的方向与承载盘201的旋转方向不一致，承载盘201边缘的气流与来流的相对速度变大，会加剧涡流。
旋转气流的速度的切向分量与轴向分量的比例不宜过大，否则会对内部区域气流造成较大影响，不利于均衡注入反应腔室200的气体。优选地，优选地，
优选地，角与角/>中至少一个不小于5°，使得产生的旋转气流效果更明显。
优选地，在每个旋转气流通道1026中，角与角/>的大小相同，并且管状通道1026-2的管轴和锥体状通道1026-1的锥轴相互平行或共线，更易于控制旋转气流的速度。
可选地，在第二气体注入机构102中，至少部分旋转气流通道1026至少具有以下特征中的一个：(1)上述角相同；(2)上述角/>相同；(3)锥体状通道1026-1的锥底的面积相同。也即各旋转气流通道1026可以为相同结构，也可以为不同结构，具体根据不同的反应腔室和工艺需求，对旋转气流通道1026进行设计，从而使承载盘201边缘附近气体流场中的涡流最小化。
需要指出的是，每个旋转气流通道1026并非限定于仅包含一个管状通道1026-2和一个锥体状通道1026-1，旋转气流通道1026可包含不限定数量的管状通道1026-2和锥体状通道1026-1的组合，例如，两个管状通道1026-2连接一个锥体状通道1026-1，或者一个管状通道1026-2连接双锥体状通道1026-1。以一个管状通道1026-2连接双锥体状通道1026-1为例，双锥体状通道1026-1堆叠设置，管状通道1026-2连接第一锥体状通道的锥顶，第一锥体状通道连接第二锥体状通道，第二锥体状通道的锥底位于出气侧，此时底面形心O点即第二锥体状通道的底面形心。第一锥体状通道的锥轴在所述底面形心O点所在切平面上的投影与主轴线B之间具有角第二锥体状通道的锥轴在所述底面形心O点所在切平面上的投影与主轴线B之间具有角/>管状通道的管轴在所述底面形心O点所在切平面上的投影与主轴线B之间具有角/>只要/> 和/>中至少一个不为0，均可形成旋转气流通道。
可选实施例中，上述第二气体注入机构102位于承载盘201的外侧，在另一可选实施例中，由于采取上述可产生旋转气流的旋转气流通道1026，可使第二气体注入机构102覆盖承载盘201的边缘，并且覆盖面积不超过承载盘201面积的36％(即沿承载盘径向上未被覆盖区域的半径大于等于承载盘半径的80％)。相对于现有技术而言，在保证承载盘上有效生长区域生长均匀性的前提下，第二气体注入机构102覆盖承载盘的面积有所增加，可以减少反应源气体浪费，提高反应源使用效率。
在本实施例中，第二气体输送通道1020分布在第二气体注入机构102中。可选地，至少部分第二气体输送通道1020在气体注入机构100的外围区域呈环形分布或者呈扇环形分布，优选地，第二气体输送通道1020排布形成一个同心环形区域；优选地，第二气体输送通道1020排布形成多个同心环形区域，各同心环形区域中具有相同数量的第二气体输送通道1020，或者至少两个同心环形区域中，第二气体输送通道1020的数量不同，具体数量分布依据工艺需求而定；优选地，各同心环形区域的第二气体输送通道1020沿径向对齐排布，优选地，各同心环形区域的第二气体输送通道1020沿径向交错排布；优选地，最外侧环形区域的面积不小于最内侧环形区域的面积；或者同心环形区域的面积由最内侧环形区域向最外侧环形区域逐渐增大；或者同心环形区域的面积由最内侧环形区域向最外侧环形区域逐渐增大，且其中至少两个相邻的环形区域中的面积相同。
以图4和图5所示的圆盘形气体注入机构100为例，第二气体输送通道1020沿圆周分布在第二气体注入机构102中。可选地，当第二气体输送通道1020沿圆周分布在第二气体注入机构102中时，可以沿一个圆周或者多个圆周分布在第二气体注入机构102中。
当第二气体输送通道1020沿多个圆周分布在第二气体注入机构102中时，多个圆周为同心圆周或者非同心圆周。优选地，第二气体输送通道1020沿多个同心圆周分布在第二气体注入机构102中，例如，如图4和图5所示，示例性示出了第二气体输送通道1020沿三个同心圆周——第一圆周110、第二圆周120及第三圆周130——分布在第二气体注入机构102中。每个圆周上的第二气体输送通道1020的数量可以相同也可以不同，并且每一个圆周上的第二气体输送通道1020的尺寸可以相同也可以不同，至少一个圆周上包含旋转气流通道1026。当旋转气流通道1026分布于多个圆周上时，各圆周上的旋转气流通道1026的数量可以相同也可以不同。但无论各圆周上的旋转气流通道1026的数量是否相同，自同心环形区域的最内侧环形区域至最外侧环形区域(即自第一圆周110至第三圆周130)，旋转气流通道1026至少具有以下特征中的一个：(1)最外侧环形区域中锥底的面积不小于最内侧环形区域中锥底的面积；或者锥体状通道1026-1的锥底的面积逐渐增大；或者锥体状通道1026-1的锥底的面积逐渐增大，且其中至少两个相邻的环形区域中的锥体状通道的锥底的面积相同；(2)最外侧环形区域中角不小于最内侧环形区域中角/>或者角/>逐渐增大；或者角/>逐渐增大且其中至少两个相邻的环形区域中的角/>相同；(3)最外侧环形区域中角不小于最内侧环形区域中角/>或者角/>逐渐增大；或者角/>逐渐增大且其中至少两个相邻的环形区域中的/>相同。由此，在靠近内部区域(即第一气体注入机构101)的第一圆周110上的旋转气流通道1026喷出气流的气流速度方向与第一气体注入机构101(第一气体输送通道1010为垂直气流通道)喷出气流的气流速度方向之间的差别最小，减小对内部气相反应区域气流的影响，第二圆周120和第三圆周130上的旋转气流通道1026喷出气流的切向速度和动量逐渐增大以减小边缘区域的流动混合的撞击，由此可以提高整体气流的稳定性，同时能够帮助提高载气和源物料气体的利用率，因此能够有效降低材料生长的成本，同时还能够减少反应腔室200中承载盘201上的生长材料中出现的颗粒缺陷，提高产品的良率。
需要说明的是，优选地，同一同心环形区域中包含的各个旋转气流通道1026的角相同。但有的情形下，为了在旋转气流中得到更好的空间分布，可能选择对同一同心环形区域中，各个旋转气流通道1026的角/>设置为不尽相同。当同一同心环形区域中包含的各个旋转气流通道1026的角/>不尽相同时，上述对不同同心环形区域的角/>进行比较时，各同心环形区域中的角/>为各自同心环形区域中各旋转气流通道1026的角/>的平均值。同样地，角/>的设计也是如此，在此不再赘述。
在反应腔室200中，承载盘201通常是旋转的，该旋转使得承载盘201边缘附近的流场除了有沿着反应腔室200主轴方向的流动速度，还有被承载盘201拖拽形成的切向流动速度。切向流动速度会增大边缘流场气流的总速度，尤其是切向流动速度较大的情况下，会在承载盘201边缘区域来流方向的流场中产生涡旋，并且承载盘201旋转速度越快越容易产生涡旋。尤其承载盘201在高速旋转时会产生明显的涡旋。由于本发明的气体注入机构100在外围注入的旋转气流存在切向的速度和动量，并且旋转气流的旋转方向与承载盘201的旋转方向一致，由此可以使得边缘来流和内部注入流至承载盘边缘(并受承载盘拖拽)的气流的相对速度减小，流场在边缘区域的流动撞击混合及流线转向过程更加平稳，从而能够抑制并或完全消除涡旋的产生。第二气体输送通道1020在第二气体注入机构102沿多个同心圆周分布，可以更好地调整旋转流场的分布，并且使得旋转气流与内部区域的气流更好地衔接。
以上仅以气体注入机构位于上部、承载盘位于下部的正置式垂直流腔室为例对气体注入机构进行了说明，应该理解的是在任意类型的反应腔室中，只要可能因为承载盘旋转产生涡旋的反应腔室中，均可采用本发明提供的气体注入机构以抑制或完全消除涡旋，均衡气流。
实施例二
本实施例提供一种气体注入机构，其与实施例一的相同之处不再赘述，不同之处体现在气体注入机构100的第二气体注入机构，因此在本实施例中，如图8所示，仅示出了其中的第二气体注入机构102'，该第二气体注入机构102'同样分布有若干个第二气体输送通道1020'。其中该第二气体输送通道1020'在第二气体注入机构102'中的分布与实施例一中的第二气体输送通道1020在第二气体注入机构102中的分布方式相同。并且，本实施例的第二气体输送通道1020'同样包括旋转气流通道1026'，旋转气流通道1026'包括管状通道1026'-2及锥体状通道1026'-1，锥体状通道1026'-1的锥顶与管状通道1026'-2连通，锥体状通道1026'-1的锥底为出气面，并且出气面为非圆形出气面，例如可以是椭圆形、菱形、矩形、三角形、半圆形或多边形等。优选地，如图10所示，锥体状通道1026'-1的锥底为椭圆形。同样地，定义经过所述锥体状通道1026'-1的底面形心O点的关于所述主轴线B的切平面为所述锥体状通道1026'-1的底面形心O点所在切平面。锥体状通道1026'-1的锥轴在底面形心O点所在切平面上的投影与主轴线B之间具有角与锥体状通道1026'-1连通的管状通道1026'-2的管轴在锥体状通道1026'-1的底面形心O点所在切平面上的投影与主轴线B之间具有角/>并且角/>和角/>中至少一个不为0。不同之处在于：至少部分旋转气流通道1026'的锥轴所在的垂面与锥体状通道1026'-1的底面形心所在的切平面之间具有角θ1，管轴所在的垂面与锥体状通道1026'-1的底面形心所在的切平面之间具有角θ2，并且角θ1和角θ2中至少一个不为0，由此使得至少部分旋转气流通道1026'喷出气体的气流速度包括切向分量、轴向分量和径向分量。
如图9所示，示出了图8中圆圈P部分的局部放大图。其中，定义锥体状通道1026'-1的锥体底面形心为O点，锥顶为O1点，管状通道1026'-2的管轴在管状通道1026'-2与锥体状通道1026'-1连接处的端点为O2点，管状通道1026'-2位于第二气体注入机构102'的第二侧1025的一端的几何中心为O3点；即O点与O1点的连线为锥体状通道1026'-1的锥轴OO1，O2点和O3点的连线为管状通道1026'-2的管轴O2O3，经过O点关于主轴线B的切平面为O点所在切平面P1，也即O点的切向线(在O点关于主轴线B的切向线)与O点的轴向线(经过O点与主轴线B平行的直线)张成的平面，锥轴OO1与O点的轴向线张成的平面为锥轴垂面P2；定义穿过O2点与切平面P1平行的平面为P3，管轴O2O3与O2点的轴向线(经过O2点与主轴线B平行的直线)张成的平面为管轴垂面P4。同样如图9所示，O点的切平面P1与锥轴垂面P2之间形成角θ1，管轴垂面P4与平面P3之间形成角θ2，并且角θ1和角θ2中的至少一个不等于0°。如θ1＝0°且θ2＝0°，其结构即为实施例一中图7所示的旋转气流通道1026(其锥轴及管轴均位于底面形心O点所在切平面上的情形，喷出气体的气流速度仅包括切向分量和轴向分量)。
优选地，角θ1和角θ2的大小相同，并且锥轴所在的垂面与管轴所在的垂面相对锥体状通道1026'-1的底面形心所在的切平面的偏斜方向一致。
旋转气流的速度的径向分量与轴向分量的比例不宜过大，否则会对内部区域气流造成较大影响，不利于均衡注入反应腔室200的气体。优选地，0°≤θ1≤30°，0°≤θ2≤30°。
由此，形成的旋转气流通道1026'的结构如图10所示，即其中的管状通道1026'-2和/或锥体状通道1026'-1相对于该旋转气流通道1026的锥体状通道1026'-1的底面形心关于主轴线B的切平面(该处的切向线与轴向线张成的平面)是偏斜的。
由本实施例的上述旋转气流通道1026'注入的气体的气流速度不仅包括轴向分量和切向分量，还包括径向分量，对于不同构造比例和使用场景的反应腔室，引入上述气流速度包含径向分量的旋转气流可以进一步减小涡流。
实施例三
本实施例提供一种气体注入机构，本实施例的气体注入机构中的第二气体注入机构102包括若干第二气体输送通道1020，第二气体输送通道1020可以全部是实施例一中的旋转气流通道1026，可以全部是实施例二中的旋转气流通道1026'，可以是垂直气流通道和实施例一中的旋转气流通道1026的组合，也可以是垂直气流通道和实施例二中的旋转气流通道1026'的组合，还可以是垂直气流通道、实施例一中的旋转气流通道1026和实施例二中的旋转气流通道1026'的组合。第二气体输送通道1020的具体类型，可以依照不同的气相反应装置、使用场景和工艺需求而定。
实施例四
本实施例提供一种气体注入机构，本实施例的气体注入机构中的第二气体注入机构102包括若干第二气体输送通道1020，该第二气体输送通道1020的结构可以为实施例一至三中任意一种，各第二气体输送通道1020的分布方式与实施例一相同。
本实施例中，第二气体注入机构102输送的第二气体来自同一供气端，并使得第二气体注入机构102输送的气体被统一调控。
如图1所示，位于气体注入机构100的外部区域的第二气体注入机构102由供气端300通入同一种气体，因此由各个第二气体输送通道1020输送至反应腔室200中的第二气体的种类和组分均相同。需指出的是，上述同一种气体并非指单一气体种类，而是指由各个第二气体输送通道1020输送至反应腔室200中的气体相同，其可以是单一气体，也可以是混合气体。示例性地，对于III-V族MOCVD而言，第二气体可为V族氢化物源气体和载气、或吹扫气体。
在供气端300和第二气体注入机构102之间还设有控制单元(未图示)，如阀门、质量流量控制器、压力控制器等，控制单元对第二气体注入机构102的气体进行统一调控，由此使得第二气体注入机构102中输送的气体的种类和组分均相同。
实施例五
本实施例提供一种气体注入机构，其与实施例四的差别在于：实施例四中第二气体注入机构102输送的第二气体来自同一供气端300，并使得第二气体注入机构102输送的气体被统一调控，而本实施例中第二气体注入机构102”被分隔成相互独立的多个子区域，至少两个子区域中输送的第二气体被独立调控。
如图11所示，仅示出了其中的第二气体注入机构102”的俯视视角的结构示意图，该第二气体注入机构102”同样分布有若干个第二气体输送通道1020”。本实施例的第二气体注入机构102”被至少一个隔离件103分隔成相互独立的多个子区域。
可选实施例中，反应腔室200设有顶板(未图示)，该顶板覆于第二气体注入机构102”的第二侧1025，顶板上设有若干隔离件103，隔离件103可以为顶板向第二气体注入机构102”的第二侧1025方向凸出的棱，隔离件103位于第二气体注入机构102”的第二侧1025和顶板之间。当顶板覆盖安装于第二气体注入机构102”的第二侧1025上时，隔离件103将第二气体注入机构102”中的第二气体输送通道1020”划分在多个子区域中。
可选实施例中，如图11所示，隔离件103可以形成为由第二气体注入机构102”的第二侧1025向顶板方向凸出的棱。隔离件103位于第二气体注入机构102”的第二侧1025和顶板之间。当顶板覆盖安装于第二气体注入机构102”的第二侧1025上时，隔离件103将第二气体注入机构102”中的第二气体输送通道1020”划分在多个子区域中。
如图11所示，隔离件103可以沿第二气体注入机构102”的周向以圆周形式分布，将第二气体注入机构102”划分为至少两个同心环形的子区域。优选地，调节最外侧子区域中通入气体的流量不小于最内侧子区域中通入气体的流量；或调节最外侧子区域中通入气体的平均分子量不小于最内侧子区域中通入气体的平均分子量；或调节最外侧子区域中通入气体的流量不小于最内侧子区域中通入气体的流量，且最外侧子区域中通入气体的平均分子量不小于最内侧子区域中通入气体的平均分子量。优选地，自最内侧子区域至最外侧子区域，调节通入气体的流量逐渐增大；或调节通入气体的平均分子量逐渐增大；或调节通入气体的流量及平均分子量均逐渐增大。优选地，自最内侧子区域至最外侧子区域，调节通入气体的流量逐渐增大且其中至少两个相邻的子区域中的气体的流量相同；或调节通入气体的平均分子量逐渐增大，且其中至少两个相邻的子区域中的气体的平均分子量相同；或调节通入气体的流量及平均分子量均逐渐增大，且其中至少两个相邻的子区域中的气体的流量相同且气体的平均分子量相同。
或者隔离件103沿气体注入机构100的中心至边缘的方向延伸形成在第二气体注入机构102”中，将第二气体注入机构102”划分为至少两个扇环形的子区域，优选地，至少两个扇环形的子区域的面积相同。
本实施例中，以圆形反应腔室200中的圆盘形气体注入机构100为例，隔离件103沿第二气体注入机构102”的周向以圆周形式分布为例，如图11所示，以具有两条隔离件103为例，这两条隔离件103与第二气体注入机构102”的侧壁将第二气体注入机构102”划分为三个子区域：位于径向最内侧的第一子区域1021、位于第一子区域1021外侧的第二子区域1022以及位于径向最外侧的第三子区域1023。在可选实施例中，上述第一子区域1021、第二子区域1022及第三子区域1023分别与独立的供气端300连通。示例性地，供气端300包括若干个不同气体源，各子区域分别与若干个不同气体源连接，气体源与各子区域之间设有控制单元(未图示)，如阀门、质量流量控制器、压力控制器等，控制单元分别单独控制进入各子区域中的管状通道中的气体，使通入第一子区域1021、第二子区域1022及第三子区域1023的气体的组成以及流量等参数可以相同也可以不同，并且上述各参数是可以分别独立控制的，由此可以单独控制通入第一子区域1021、第二子区域1022及第三子区域1023的气体的流量或者组分等。由此增加了通过第二气体注入机构通入反应腔室200的气体的控制可能性，获得更好的抑制或完全消除反应腔室涡旋气流的效果。
在可选实施例中，上述第一子区域1021与第二子区域1022连接同一气体源，并被同一控制单元调控，第三子区域1023连接另一气体源，被另一控制单元单独调控。另有其他类似组合，只要是使得子区域中的气体可被单独调控，在此不做赘述。
如图11所示，沿径向由内而外的方向，由第一子区域1021、第二子区域1022及第三子区域1023注入的第二气体的流量分别为F1、F2、F3，注入的第二气体的平均分子量分别为M1、M2、M3，其中，对每一子区域进行独立调控，使：F1≤F2≤F3，或者，M1≤M2≤M3，或者，F1≤F2≤F3且M1≤M2≤M3。
由于在反应腔室200中，越靠近内部区域，其气流需要通过精细分布来调节和匹配，因此上述第二气体注入机构子区域的设计能够减少旋转气流对内部区域气流的影响，由此有利于均衡注入反应腔室200的气体，提高气体的利用率。
实施例六
本实施例提供一种气体注入机构，本实施例的气体注入机构中的第二气体注入机构102可以为实施例一至五中任意一种，本实施例的气体注入机构中的第一气体注入机构101的第一气体输送通道1010的结构也可以为旋转气流通道、或者垂直气流通道(形成的气流方向垂直朝向承载盘)和旋转气流通道的混合，旋转气流通道的结构与实施例一和实施例二相同。第一气体自第一气体输送通道喷出形成的气流方向与主轴线B之间形成的角度范围为0°～90°。
实施例七
本实施例提供一种气体注入机构，本实施例的气体注入机构100中的第二气体注入机构102可以为实施例一至五中任意一种，本实施例的气体注入机构100中的第一气体注入机构101为水平流的中心进气装置，此时，第二气体注入机构102环绕中心进气装置，并且第二气体注入机构102与中心进气装置之间具有一定的间隔距离。
第一气体自第一气体输送通道1010喷出形成的气流方向与主轴线B之间形成的角度范围为0°～90°。示例性地，如第一气体输送通道1010的出气口位于中心进气装置的底面，则第一气体输送通道1010喷出的气流垂直于承载盘201，即气流方向沿承载盘201的轴向；如第一气体输送通道1010的出气口位于中心进气装置的侧面，并非面向承载盘201，第一气体输送通道1010可沿承载盘201的径向喷出气流，或者第一气体输送通道1010可沿与承载盘201的轴向具有一定的角度的方向喷出气流。
实施例八
本实施例提供一种气相反应装置，该气相反应装置例如可以是气相沉积装置，具体地，可以是化学气相沉积装置、物理气相沉积装置、等离子体增强气相沉积装置、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)装置等。
可参照图1，该气相反应装置包括反应腔室200，承载盘201以及气体注入机构100。其中承载盘201设置在反应腔室200中，并且承载盘201在气相反应过程中是旋转的，其旋转速度大于等于200RPM。气体注入机构100与承载盘201相对设置，以向承载盘201注入反应气流。如图1所示，本实施例的气相反应装置具有一反应腔室200，气相反应装置的反应腔室200的横截面一般为圆形或者类圆形结构，或者可以是矩形结构及其他本领域技术人员所公知的结构，在此不作赘述。反应腔室200可以是垂直方向进气的垂直流腔室，也可以是中心进气的水平流腔室。
反应装置中的气体注入机构100可以是实施例一至实施例七所述的任意的气体注入机构100，因此可参照实施例一至实施例七的描述，在此不再赘述。
实施例九
本实施例提供一种气体注入机构的制作方法，该气体注入机构用于气相反应装置，气体注入机构包括位于中间区域的第一气体注入机构，以及位于外围区域并且环绕第一气体注入机构的第二气体注入机构。
可以在同一板材上加工出第一气体注入机构和第二气体注入机构，也可以在不同板材上分别加工出第一气体注入机构和第二气体注入机构，然后将二者安装在一起，形成气体注入机构。优选地，在不同板材上加工出第一气体注入机构和第二气体注入机构，然后将二者安装在一起。
以实施例一中的气体注入机构100为例，在不同板材上加工出第一气体注入机构101和第二气体注入机构102，然后将二者安装在一起。其中，第一气体注入机构101采用本领域已知的方法加工制作，在此不再详述。第二气体注入机构102可通过下列步骤制得：
S1：提供一具有一定厚度的主体，所述主体包括相对设置的第一侧和第二侧，所述第一侧配置为出气侧，定义一与所述主体的第一侧所在面垂直且经过所述气体注入机构的几何中心的主轴线；
可参照图1，定义一与上述主体的第一侧1024所在面垂直且经过气体注入机构100出气面的几何中心的主轴线B；
S2：沿着使气体从所述第二气体注入机构喷出形成旋转气流的旋转方向与位于所述气相反应装置中和所述气体注入机构相对设置的承载盘在反应过程中的旋转方向一致的方向，使用具有一锥顶角的圆锥形钻头沿第一方向自所述第一侧对所述主体开凿，获得若干锥体状通道，每个所述锥体状通道的锥底位于所述第一侧，每个所述锥体状通道的锥顶位于所述第一侧与所述第二侧之间的主体中；
使用具有一锥顶角的圆锥形钻头在上述主体上自第一侧1024对该主体开凿，如图4至图7所示，获得若干锥体状通道1026-1，每个锥体状通道1026-1的锥底位于第一侧1024，每个锥体状通道1026-1的锥顶位于第一侧1024与第二侧1025之间的主体中；
S3：使用具备一直径的圆柱形钻头沿第二方向自每个所述锥顶向所述第二侧开凿，或者自所述第二侧向每个所述锥顶开凿，获得若干管状通道，所述管状通道与所述锥体状通道一一对应连通以形成若干在厚度方向上贯穿所述主体的第二气体输送通道；
如图4至图7所示，管状通道1026-2与锥体状通道1026-1一一对应连通以形成若干在厚度方向上贯穿主体的第二气体输送通道1020；
其中，定义经过所述锥体状通道1026-1的底面形心O点的关于所述主轴线B的切平面为所述锥体状通道1026-1的底面形心O点所在切平面，在至少部分第二气体输送通道1020中，如图6所示，第一方向使每个锥体状通道1026-1的锥轴在其底面形心O点所在切平面上的投影与主轴线B之间具有角第二方向使与每个锥体状通道1026-1相连通的每个管状通道1026-2的管轴在锥体状通道1026-1的底面形心O点所在切平面上的投影与主轴线B之间具有角/>角/>和角/>中至少一个不为0，从而使得至少部分第二气体输送通道1020形成旋转气流通道1026。
在可选实施例中，上述步骤S2和S3可以替换为如下步骤：
S2'：使用具有一锥顶角的圆锥形钻头在所述主体沿第一方向自所述第一侧对所述主体开凿，获得一锥体状通道，所述锥体状通道的锥底位于所述第一侧，所述锥体状通道的锥顶位于所述第一侧与所述第二侧之间的主体中；
S3'：使用具备一直径的圆柱形钻头沿第二方向自所述锥顶向所述第二侧开凿，或者自所述第二侧向所述锥顶开凿，获得一管状通道，所述管状通道与所述锥体状通道对应连通以形成在厚度方向上贯穿所述主体的第二气体输送通道；
在上述步骤S2'和S3'之后，还包括进行步骤S4：沿着使气体从所述第二气体注入机构喷出形成旋转气流的旋转方向与位于所述气相反应装置中和所述气体注入机构相对设置的承载盘在反应过程中的旋转方向一致的方向，重复上述步骤S2'和S3'，形成若干第二气体输送通道。
其中，定义经过所述锥体状通道1026-1的底面形心O点的关于所述主轴线B的切平面为所述锥体状通道1026-1的底面形心O点所在切平面，在至少部分第二气体输送通道1020中，第一方向使锥体状通道1026-1的锥轴在其底面形心O点所在切平面上的投影与主轴线B之间具有角第二方向使管状通道1026-2的管轴在所述锥体状通道1026-1的底面形心O点所在切平面上的投影与主轴线B之间具有角/>角/>和角/>中至少一个不为0，从而使得至少部分第二气体输送通道1020形成为旋转气流通道。旋转气流通道1026在主体的第一侧1024的排布使得当气体从旋转气流通道1026喷出时形成旋转气流，该旋转气流的方向与位于气相反应装置中和气体注入机构101相对设置的承载盘201在反应过程中的旋转方向一致。上述旋转气流通道1026的具体结构特点可以结合实施例一的描述。
可参照图8和图9所示，在另一可选实施例中，以同样的方法在上述主体中形成第二气体输送通道1020'以形成第二气体注入机构102'，开凿主体形成旋转气流通道1026'时，至少部分旋转气流通道1026'中每个锥体状通道1026'-1的锥轴在所述锥体状通道1026'-1的底面形心O点所在切平面上的投影与主轴线B之间具有角管轴在所述锥体状通道1026'-1的底面形心O点所在切平面上的投影与主轴线B之间具有角/> 和/>中至少一个不为0，从而形成旋转气流通道。并且，开凿出锥体状通道1026'-1的第一方向使至少部分旋转气流通道1026'的锥轴所在的垂面与锥体状通道1026'-1的底面形心O点所在的切平面之间形成角θ1，开凿出管状通道1026'-2的第二方向使管轴所在的垂面与锥体状通道1026'-1的底面形心O点所在的切平面之间形成角θ2，并且θ1和θ2中至少一个不为0。该旋转气流通道1026'的具体结构可参照实施例二的具体描述。
本实施例中，还可以对上述主体开凿，形成与主轴线B平行的垂直气流通道。即，第二气体注入机构可以包括垂直气流通道和实施例一中的旋转气流通道1026，或者可以包括垂直气流通道和实施例二的旋转气流通道1026'，或者可以包括垂直气流通道及实施例一中的旋转气流通道1026和实施例二的旋转气流通道1026'。通过上述方法制作出的气体注入机构能够有效抑制或完全消除反应腔室内涡流的产生，使得反应腔流场的层流特性更加稳定。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (20)

1.一种气体注入机构，用于气相反应装置，其特征在于，所述气体注入机构包括：
第一气体注入机构，用于输送第一气体，位于所述气体注入机构的中间区域，所述第一气体注入机构包括若干第一气体输送通道；
第二气体注入机构，用于输送第二气体，位于所述气体注入机构的外围区域，并且环绕所述第一气体注入机构；所述第二气体注入机构包括相对设置的第一侧和第二侧，所述第一侧配置为出气侧，定义一与所述第一侧所在面垂直且经过所述气体注入机构出气面的几何中心的主轴线；所述第二气体注入机构包括若干第二气体输送通道，至少部分所述第二气体输送通道为旋转气流通道；
其中，每个所述旋转气流通道包括自所述第二侧向所述第一侧贯通延伸的管状通道及与所述管状通道连通的锥体状通道，所述锥体状通道的锥底位于所述第一侧；
其中，定义经过所述锥体状通道的底面形心O点的关于所述主轴线的切平面为所述锥体状通道的底面形心O点所在切平面，所述锥体状通道的锥轴在其底面形心O点所在切平面上的投影与所述主轴线之间具有角φ1，与所述锥体状通道连通的所述管状通道的管轴在所述锥体状通道的底面形心O点所在切平面上的投影与所述主轴线之间具有角φ2，并且所述角φ1和所述角φ2中至少一个不为0，使得所述第二气体沿着所述旋转气流通道喷出形成旋转气流，且所述旋转气流的旋转方向与位于所述气相反应装置中和所述气体注入机构相对设置的承载盘在反应过程中的旋转方向一致；
所述气相反应装置包括至少一个隔离件，所述隔离件将所述第二气体注入机构分隔成相互独立的多个子区域，至少两个所述子区域中输送的所述第二气体被独立调控。
2.根据权利要求1所述的气体注入机构，其特征在于，在每个所述旋转气流通道中，所述角φ1与所述角φ2的大小相同，并且所述锥轴和所述管轴相互平行或共线。
3.根据权利要求1所述的气体注入机构，其特征在于，所述角φ1与所述角φ2中至少一个大于或等于5°。
4.根据权利要求1所述的气体注入机构，其特征在于，所述锥体状通道的锥底为非圆形。
5.根据权利要求4所述的气体注入机构，其特征在于，所述锥体状通道的锥底为椭圆形、菱形、矩形、三角形、半圆形及多边形中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的气体注入机构，其特征在于，至少部分所述旋转气流通道至少具有以下特征中的一个：
(1)所述角φ1相同；
(2)所述角φ2相同；
(3)所述锥底的面积相同。
7.根据权利要求1所述的气体注入机构，其特征在于，至少部分所述第二气体输送通道在所述外围区域呈环形分布或扇环形分布。
8.根据权利要求7所述的气体注入机构，其特征在于，所述第二气体输送通道排布成多个同心环形区域，各个所述同心环形区域中具有相同数量的所述第二气体输送通道，或者至少两个同心环形区域中，第二气体输送通道的数量不同。
9.根据权利要求8所述的气体注入机构，其特征在于，最外侧环形区域的面积不小于最内侧环形区域的面积，或者所述同心环形区域的面积由最内侧环形区域至最外侧环形区域逐渐增大。
10.根据权利要求8所述的气体注入机构，其特征在于，所述旋转气流通道至少具有以下特征中的一个：
(1)最外侧环形区域中所述锥底的面积不小于最内侧环形区域中所述锥底的面积，或者所述锥底的面积由最内侧环形区域至最外侧环形区域逐渐增大；
(2)最外侧环形区域中的所述角φ1的平均值不小于最内侧环形区域中的所述角φ1的平均值，或者所述φ1的平均值由最内侧环形区域至最外侧环形区域逐渐增大；
(3)最外侧环形区域中的所述角φ2的平均值不小于最内侧环形区域中的所述角φ2的平均值，或者所述φ2的平均值由最内侧环形区域至最外侧环形区域逐渐增大。
11.根据权利要求1所述的气体注入机构，其特征在于，至少部分所述旋转气流通道的所述锥轴所在的垂面与所述锥体状通道的底面形心所在的切平面之间具有角θ1，所述管轴所在的垂面与所述锥体状通道的底面形心所在的切平面之间具有角θ2，并且所述角θ1和所述角θ2中至少一个不为0，其中，定义：经过所述锥体状通道的底面形心O点的关于所述主轴线的切平面为所述底面形心O点所在切平面，经过所述锥体状通道的底面形心O点并平行于所述主轴线的直线为O点的轴向线，经过所述管轴在所述管状通道与所述锥体状通道连接处的端点O2点并平行于所述主轴线的直线为O2点的轴向线，所述锥轴所在的垂面为所述锥轴与O点的轴向线张成的平面，所述管轴所在的垂面为所述管轴与O2点的轴向线张成的平面。
12.根据权利要求11所述的气体注入机构，其特征在于，所述角θ1与所述角θ2的大小相同，并且所述锥轴所在的垂面与所述管轴所在的垂面相对所述锥体状通道的底面形心所在的切平面的偏斜方向一致。
13.根据权利要求1所述的气体注入机构，其特征在于，所述第二气体注入机构覆盖所述承载盘的边缘，且覆盖面积不超过所述承载盘面积的36％。
14.根据权利要求1所述的气体注入机构，其特征在于，所述第二气体注入机构位于所述承载盘的外侧。
15.根据权利要求1所述的气体注入机构，其特征在于，所述第一气体自所述第一气体输送通道喷出形成的气流方向与所述主轴线之间形成的角度范围为0～90°。
16.根据权利要求1所述的气体注入机构，其特征在于，所述第一气体为反应源气体和载气，用于反应生成目标产物，所述第二气体为吹扫气体、载气、反应源气体中的一种或多种，所述第二气体相互之间不发生反应，或者所述第二气体相互之间反应但不生成所述目标产物。
17.一种气相反应装置，其特征在于，包括：
反应腔室；
承载盘，设置在所述反应腔室中，所述承载盘在反应过程中的旋转速度≥200RPM；
气体注入机构，与所述承载盘相对设置，所述气体注入机构为权利要求1～16中任意一项所述的气体注入机构。
18.一种气体注入机构的制作方法，所述气体注入机构用于气相反应装置，所述气体注入机构包括位于中间区域的第一气体注入机构，以及位于外围区域并且环绕所述第一气体注入机构的第二气体注入机构，其特征在于，制作所述第二气体注入机构的方法包括下列步骤：
S1：提供一具有一定厚度的主体，所述主体包括相对设置的第一侧和第二侧，所述第一侧配置为出气侧，定义一与所述主体的第一侧所在面垂直且经过所述气体注入机构出气面的几何中心的主轴线；
S2：沿着使气体从所述第二气体注入机构喷出形成旋转气流的旋转方向与位于所述气相反应装置中和所述气体注入机构相对设置的承载盘在反应过程中的旋转方向一致的方向，使用具有一锥顶角的圆锥形钻头沿第一方向自所述第一侧对所述主体开凿，获得若干锥体状通道，每个所述锥体状通道的锥底位于所述第一侧，每个所述锥体状通道的锥顶位于所述第一侧与所述第二侧之间的主体中；
S3：使用具备一直径的圆柱形钻头沿第二方向自每个所述锥顶向所述第二侧开凿，或者自所述第二侧向每个所述锥顶开凿，获得若干管状通道，所述管状通道与所述锥体状通道一一对应连通以形成若干在厚度方向上贯穿所述主体的第二气体输送通道；
其中，定义经过所述锥体状通道的底面形心O点的关于所述主轴线的切平面为所述锥体状通道的底面形心O点所在切平面，在至少部分所述第二气体输送通道中，所述第一方向使所述锥体状通道的锥轴在其底面形心O点所在切平面上的投影与所述主轴线之间具有角φ1，所述第二方向使所述管状通道的管轴在所述锥体状通道的底面形心O点所在切平面上的投影与所述主轴线之间具有角φ2，所述角φ1和角φ2中至少一个不为0，从而使得至少部分所述第二气体输送通道形成为旋转气流通道；
所述气相反应装置包括至少一个隔离件，所述隔离件将所述第二气体注入机构分隔成相互独立的多个子区域，至少两个所述子区域中输送的所述第二气体被独立调控。
19.一种气体注入机构的制作方法，所述气体注入机构用于气相反应装置，所述气体注入机构包括位于中间区域的第一气体注入机构，以及位于外围区域并且环绕所述第一气体注入机构的第二气体注入机构，其特征在于，制作所述第二气体注入机构的方法包括下列步骤：
S1：提供一具有一定厚度的主体，所述主体包括相对设置的第一侧和第二侧，所述第一侧配置为出气侧，定义一与所述主体的第一侧所在面垂直且经过所述气体注入机构出气面的几何中心的主轴线；
S2：使用具有一锥顶角的圆锥形钻头在所述主体沿第一方向自所述第一侧对所述主体开凿，获得一锥体状通道，所述锥体状通道的锥底位于所述第一侧，所述锥体状通道的锥顶位于所述第一侧与所述第二侧之间的主体中；
S3：使用具备一直径的圆柱形钻头沿第二方向自所述锥顶向所述第二侧开凿，或者自所述第二侧向所述锥顶开凿，获得一管状通道，所述管状通道与所述锥体状通道对应连通以形成在厚度方向上贯穿所述主体的第二气体输送通道；
S4：沿着使气体从所述第二气体注入机构喷出形成旋转气流的旋转方向与位于所述气相反应装置中和所述气体注入机构相对设置的承载盘在反应过程中的旋转方向一致的方向，重复上述步骤S2和S3，形成若干第二气体输送通道；
其中，定义经过所述锥体状通道的底面形心O点的关于所述主轴线的切平面为所述锥体状通道的底面形心O点所在切平面，在至少部分所述第二气体输送通道中，所述第一方向使所述锥体状通道的锥轴在其底面形心O点所在切平面上的投影与所述主轴线之间具有角φ1，所述第二方向使所述管状通道的管轴在所述锥体状通道的底面形心O点所在切平面上的投影与所述主轴线之间具有角φ2，所述角φ1和角φ2中至少一个不为0，从而使得至少部分所述第二气体输送通道形成为旋转气流通道；
所述气相反应装置包括至少一个隔离件，所述隔离件将所述第二气体注入机构分隔成相互独立的多个子区域，至少两个所述子区域中输送的所述第二气体被独立调控。
20.根据权利要求18或19所述的气体注入机构的制作方法，其特征在于，在至少部分所述第二气体输送通道中，所述第一方向还使所述旋转气流通道的所述锥轴所在的垂面与所述锥体状通道的底面形心所在的切平面之间具有角θ1，所述第二方向还使所述管轴所在的垂面与所述锥体状通道的底面形心所在的切平面之间具有角θ2，并且所述角θ1和所述角θ2中至少一个不为0，其中，定义：经过所述锥体状通道的底面形心O点并平行于所述主轴线的直线为O点的轴向线，经过所述管轴在所述管状通道与所述锥体状通道连接处的端点O2点并平行于所述主轴线的直线为O2点的轴向线，所述锥轴所在的垂面为所述锥轴与O点的轴向线张成的平面，所述管轴所在的垂面为所述管轴与O2点的轴向线张成的平面。
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