CN117822106A - 一种用于金属有机物化学气相沉积的一体式蒸发喷淋装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属氧化物薄膜气相外延领域，具体为一种用于金属有机物化学气相沉积的一体式蒸发喷淋装置。包括U型喷淋头、蒸发室、温度调节装置，U型喷淋头弯折部与蒸发室出气口连通，以使蒸发室与U型喷淋头形成一体，蒸发室内设有用于均匀气流流速的匀气装置；温度调节装置设于蒸发室和U型喷淋头的外壁，分别连接冷却水回路和加热辐射装置，通过温度调节装置调节蒸发室温度。本发明将喷淋装置与蒸发室直接相连，省却了蒸发室与喷淋装置之间的管道连接，实现结构简化，同时节省能耗，实现薄膜连续、稳定地沉积。
Description
技术领域
本发明涉及金属氧化物薄膜气相外延领域，具体涉及一种用于金属有机物化学气相沉积的一体式蒸发喷淋装置。
背景技术
目前常采用磁控溅射(magnetron sputtering，MS)、蒸发(evaporation)、脉冲激光沉积(PLD)、分子束外延(MBE)、金属有机物沉积(MOD)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等工艺制备金属氧化物薄膜。MOCVD是制备半导体光电子和微电子器件的一种关键工艺。在MOCVD外延生长过程中，气体载体携带金属有机源化合物进入反应室内，经过一系列物理和化学变化后在衬底表面形成外延层。与其他生长技术相比，MOCVD应用范围广泛，可实现大尺寸衬底上的批量化生产，已成为各国科学工作者研究的热点。
在薄膜外延生长过程中，金属有机源成分会显著影响薄膜的性能。传统的MOCVD装置的蒸发室设置在腔体外部，金属有机源经蒸发室闪蒸为金属有机蒸汽后，需要经过精确控温的管道的输运进入喷淋头，从而到达基片表面沉积薄膜。随着设备使用时间的增长，金属有机源气体反应物残留于管道内壁，进而堵塞管道，难以保证有机源输入比例的稳定性。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种用于金属有机物化学气相沉积的一体式蒸发喷淋装置，其喷淋装置直接与蒸发室相连，省却了蒸发室与喷淋装置之间的管道连接，实现结构简化，同时节省能耗，实现薄膜连续、稳定地沉积。
本发明的技术方案如下：
一种用于金属有机物化学气相沉积的一体式蒸发喷淋装置，包括喷淋头、蒸发室、温度调节装置；
所述喷淋头为一个弯折部和两个枝干形成的U型喷淋头，U型喷淋头弯折部的一端连接其中一个枝干的一端，另一端连接另一个枝干的一端，其中一个枝干的另外一端为U型喷淋头的第一喷口，另一个枝干的另一端为U型喷淋头的第二喷口；
所述蒸发室具有进气口和出气口，进气口连接外部导气管，出气口与U型喷淋头的弯折部连通，以使蒸发室与U型喷淋头形成一体；蒸发室内设有用于均匀气流流速的匀气装置；
所述温度调节装置设于蒸发室和U型喷淋头的外壁，分别连接冷却水回路和加热辐射装置，通过温度调节装置调节蒸发室温度。
进一步的，所述匀气装置为设于蒸发室顶部内壁和底部内壁的若干匀气管，顶部内壁的匀气管与底部内壁的匀气管一一对应。
更进一步的，匀气管为匀气铜管。
更进一步的，所述蒸发室顶部内壁相邻两匀气管之间间距相等。
进一步的，温度调节装置包括冷却管和加热丝，所述冷却管设于蒸发室和U型喷淋头顶部外壁，与冷却水回路连通，以带走多余热量；所述加热丝设于设于蒸发室和U型喷淋头的底壁外壁，与加热辐射装置相连，用于将热量传导至蒸发室；通过冷却管与加热丝的设置，实现蒸发室温度调节。
更进一步的，所述温度调节装置的调节方法为：
当外部监测到的辐射热量低于使蒸发室达到金属有机源闪蒸温度的热量时，使用加热丝辅助加热蒸发室；当外部监测到的辐射热量高于使蒸发室达到金属有机源闪蒸温度的热量时，使用冷却管降温蒸发室。
更进一步的，所述冷却管材质为铜。
在实际应用中，为了提高沉积效率，喷淋头会尽量接近基片。但在MOCVD沉积过程中，基片需要加热到800℃以上温度，因此会导致喷淋头过热，反应蒸汽有可能在高温的喷淋头中反应分解，产生额外的损耗，并有可能导致喷口堵塞造成沉积不稳定。因此，冷却喷淋头一控制器温度成为常用手段。如果能将蒸发器与喷淋器一体化，即可省却常用的腔体外蒸发器到反应器之间的精确控温的输送管道，避免管道中原料的损失和随即可能带来的管道堵塞。同时，一体化的设计，将液态源直接输入到一体式蒸发喷淋装置，利用液态源的蒸发吸热，降低喷淋头温度，有利于解决喷淋头过热问题。
采用上述技术方案后，本发明具有的有效效果为：
1、本发明的一体式蒸发喷淋装置，其出气口与U型喷淋头的弯折部连通，使蒸发室与U型喷淋头形成一体，金属有机源经蒸发室闪蒸为气体后能够直接通过U型喷淋头进入外部反应区域沉积薄膜，减少了有机源气体输送路径长度，保证了有机源输入比例的稳定性，且蒸发室与U型喷淋头之间无额外管道接入，简化了装置结构，方便了安装维护。
2、本发明通过在蒸发室内设置匀气装置，将气流通道改造成迂回的通路，延长了金属有机源在蒸发室中的流通时间，使流出的金属有机源气体更加均匀稳定。
附图说明
图1是本发明的一体式蒸发喷淋装置的结构示意图
图2是金属有机物化学气相沉积反应腔的半剖图；
图3是金属有机物化学气相沉积反应腔的前视图；
附图标记：1、蒸发室，2、匀气铜管，3、喷淋头，4、冷却管，5、加热丝，6、加热装置，7、基片盘，8、旋转轴，9、腔体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明技术方案。
如图1、图2所示，本实施例提供的一种用于金属有机物化学气相沉积的一体式蒸发喷淋装置，包括喷淋头、蒸发室、温度调节装置。
所述喷淋头为一个弯折部和两个枝干形成的U型喷淋头，通过U型喷淋头的采用，以实现双面薄膜沉积。U型喷淋头弯折部的一端连接其中一个枝干的一端，另一端连接另一个枝干的一端，其中一个枝干的另外一端设有第一喷口，另一个枝干的另一端设有第二喷口。第一喷口和第二喷口如图1中A2所示。本实施例中第一喷口和第二喷口分别设于两个枝干另外一端的端部侧面，且平行于基片盘，使其流出的气体垂直喷在基片盘表面，其宽度相同，均为2mm。
所述蒸发室具有进气口A1和出气口，进气口连接外部导气管，出气口与U型喷淋头的弯折部连通，以使蒸发室与U型喷淋头形成一体；蒸发室内设有用于均匀气流流速的匀气装置。通过匀气管的设置将气流通道改造成迂回的通路，延长金属有机源在蒸发室中的流通时间，使金属有机源气体流出更加均匀稳定。
为进一步提升金属有机源气体流出的均匀性和稳定性，本实施例中的匀气装置包括设于蒸发室顶部内壁若干匀气铜管、以及设于蒸发室底部内壁的若干匀气管，蒸发室顶部内壁相邻两匀气管之间间距相等，底部内壁的匀气管与顶部内壁的匀气管一一对应设置。
所述温度调节装置设于蒸发室和U型喷淋头的外壁，分别连接冷却水回路和加热辐射装置，通过温度调节装置调节蒸发室温度。温度调节装置包括冷却管和加热丝。由于铜具有良好的导热性，本实施例冷却管材质为铜，冷却管设于蒸发室和U型喷淋头顶部外壁，与冷却水回路连通，将蒸发室多余的热量带走。加热丝设于设于蒸发室和U型喷淋头的底壁外壁，与加热辐射装置相连，用于将热量传导至蒸发室。通过对冷却管和加热丝的配合使用，实现一体式蒸发喷淋装置的温度调节，避免金属有机源气体因温度过高在到达反应区域前分解或金属有机源气体因温度过低无法蒸发。当外部监测到的辐射热量低于使蒸发室达到金属有机源闪蒸温度的热量时，使用加热丝辅助加热蒸发室；当外部监测到的辐射热量高于使蒸发室达到金属有机源闪蒸温度的热量时，使用冷却管降温蒸发室。
利用上述一体式蒸发喷淋装置，进行薄膜的沉积过程如下：
步骤1、如图3所示，加热装置和基片盘位于腔体中，基片盘通过旋转轴与加热装置旋转连接，加热装置为开口圆盘，本实施例的一体式蒸发喷淋装置置于加热装置的开口处，这样的设置使加热装置在辐射加热样品盘的同时，也会辐射加热蒸发室，有效降低了能耗。调整喷口位置，使其与基片盘垂直，并在腔体密闭时，保证两个喷口与基片盘的垂直距离相等。然后连接进气口A1与MOCVD输送金属有机源/载体气体及反应气体混合物的导气管，将冷却管的两端(图1中的B1和B2)与冷却水回路的两端连通，将加热丝与腔体外部加热辐射装置相连。
步骤2、按照MOCVD的设备操作流程进行操作，如给MOCVD的真空室抽真空、打开冷却水、给基片盘加热等。待真空度、基片盘温度及蒸发室温度达到要求后，打开导气管的阀门使金属有机源、载体气体及反应气体混合物从A1进入，通过匀气铜管后均匀稳定流出至U型喷淋头，经过A2喷到基片盘两侧区域进行反应，形成所需薄膜。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种用于金属有机物化学气相沉积的一体式蒸发喷淋装置，包括喷淋头、蒸发室、温度调节装置，其特征在于：
所述喷淋头为一个弯折部和两个枝干形成的U型喷淋头，U型喷淋头弯折部的一端连接其中一个枝干的一端，另一端连接另一个枝干的一端，其中一个枝干的另外一端为U型喷淋头的第一喷口，另一个枝干的另一端为U型喷淋头的第二喷口；
所述蒸发室具有进气口和出气口，进气口连接外部导气管，出气口与U型喷淋头的弯折部连通，以使蒸发室与U型喷淋头形成一体；蒸发室内设有用于均匀气流流速的匀气装置；
所述温度调节装置设于蒸发室和U型喷淋头的外壁，分别连接冷却水回路和加热辐射装置，通过温度调节装置调节蒸发室温度。
2.根据权利要求1所述的一种用于金属有机物化学气相沉积的一体式蒸发喷淋装置，其特征在于：所述匀气装置为设于蒸发室顶部内壁和底部内壁的若干匀气管，顶部内壁的匀气管与底部内壁的匀气管一一对应。
3.根据权利要求2所述的一种用于金属有机物化学气相沉积的一体式蒸发喷淋装置，其特征在于：所述蒸发室顶部内壁相邻两匀气管之间间距相等。
4.根据权利要求2或3所述的一种用于金属有机物化学气相沉积的一体式蒸发喷淋装置，其特征在于：匀气管为匀气铜管。
5.根据权利要求1所述的一种用于金属有机物化学气相沉积的一体式蒸发喷淋装置，其特征在于：温度调节装置包括冷却管和加热丝，所述冷却管设于蒸发室和U型喷淋头顶部外壁，与冷却水回路连通，以带走多余热量；所述加热丝设于设于蒸发室和U型喷淋头的底壁外壁，与加热辐射装置相连，用于将热量传导至蒸发室；通过冷却管与加热丝的设置，实现蒸发室温度调节。
6.根据权利要求5所述的一种用于金属有机物化学气相沉积的一体式蒸发喷淋装置，其特征在于：所述温度调节装置的调节方法为：
当外部监测到的辐射热量低于使蒸发室达到金属有机源闪蒸温度的热量时，使用加热丝辅助加热蒸发室；当外部监测到的辐射热量高于使蒸发室达到金属有机源闪蒸温度的热量时，使用冷却管降温蒸发室。
7.根据权利要求5或6所述的一种用于金属有机物化学气相沉积的一体式蒸发喷淋装置，其特征在于：所述冷却管材质为铜。
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