CN1242093C

CN1242093C - 一种用于气相沉积的水平式反应器结构

Info

Publication number: CN1242093C
Application number: CN 200310108793
Authority: CN
Inventors: 于广辉; 叶好华; 雷本亮; 李爱珍; 齐鸣
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Dahom (Fujian) Illumination Technology Co., Ltd.
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2023-11-21
Also published as: CN1544687A

Abstract

本发明涉及一种用于气相沉积的水平式反应器的结构，其特征在于采用了源气垂直喷淋供给的方式。该反应器结构由两组喷淋头、一路载气、一个样品托和一个圆形或者方形的水平腔体构成，整个反应器结构放在水平腔体内，源气和载气进气口和出气口分别在水平腔体的两端，使用时反应器水平放置。由于采用垂直喷淋供气方式，使得两种反应气体在混合区很小的情况下也可以实现均匀混合，既保证了外延生长中大面积均匀性的实现，同时也减少了对外延生长有害的预反应的发生。采用喷淋头与样品平行的结构，既可以采用集成化的反应器结构，即源气喷淋头和样品托固定在一起，也可以分别控制各气路的位置，使得反应器容易加工，使用灵活，适合于批量生产。

Description

一种用于气相沉积的水平式反应器结构

技术领域

本发明涉及一种用于气相沉积的反应器结构，更确切的说，本发明提供一种用于获得大面积均匀沉积材料的气相沉积的水平式反应器结构，属于材料制备技术领域。

技术背景

近年来，气相沉积(包括外延)技术在材料制备中获得了广泛的应用。由于批量生产等的需求，通常要求沉积得到的薄膜材料的厚度、质量和组分等具有较好的空间均匀性。这就要求在反应器的结构设计上具有科学性，从而保证气流在要沉积的物体(通常称为衬底)上方能够均匀分布。目前经常使用的反应器从结构上来说主要包括两种，即垂直式(也称为立式)或者水平式(也称为卧式)[杨树人、丁墨元“外延生长技术”，国防工业出版社，1992年]，当然也存在其他一些特殊的供气方式，但是往往气流难以控制，通常较少采用。在立式反应器中，整个反应器竖直放置，采用喷淋等方式供气，有时也使衬底旋转来解决沉积材料的空间均匀性问题，设备制造比较复杂；在卧式反应器中采用气流以一定角度吹向衬底(近似水平供气)、衬底旋转等方式来克服衬底上方沿气流方向的气体浓度不均匀性。但是由于气流方向与衬底之间的最佳角度对总气流量等条件的变化比较敏感，因此使用受到限制，也很难得到大面积均匀的沉积材料；另外，这种方式中气源的混合区较长，有的情况下，沉积所需的不同气源气体过早相遇混合会发生预反应，即气源气体在没有到达衬底之前已经发生反应，而不是在衬底上才发生反应，从而影响了材料质量。

发明内容

为了克服上述水平式反应器中的种种弊端本发明提供了一种用于气相沉积的水平式反应器的结构。本发明提供了一种更加合理的、容易实现大面积均匀、并且可以避免不同源气体混合过早而发生预反应的水平式反应器结构，使得采用本发明提供的水平式反应器结构，即使在不旋转的情况下也可以获得具有较高均匀性的外延材料。围绕着大面积均匀性和减小预反应的发生。

本发明涉及的一种用于气相沉积的水平式反应器结构，其特征在于在水平式反应器中采用了源气垂直喷淋供给的方式。该反应器结构由两组喷淋头、一路载气、一个样品托和一个圆形或者方形的水平腔体构成，整个反应器结构放在水平腔体内，进气(包括源气和载气)和出气口分别在水平腔体的两端，使用时反应器水平放置。由于采用垂直喷淋供气方式，使用两种反应气体在混合区很小的情况下也可以实现均匀混合，既保证了外延生长中大面积均匀性的实现，同时也减少了对外延生长有害的预反应的发生。采用喷淋头与样品平行的结构，既可以采用集成化的反应器结构，即源气喷淋头和样品托固定在一起，也可以分别控制各气路的位置，使得反应器结构容易加工，使用灵活。非常适用于科学实验和批量生产使用。

具体地说本发明提供的水平反应器中采用了喷淋式的源气供给方式(如图1所示)。源气进气共分为两路，均采用喷淋的方式，喷淋头整体形状呈长方形，两路气的喷淋头在空间上重叠，喷淋头的出气口可以采用直接打孔的方式制备，方向向下，两路喷淋头的喷淋孔在水平位置上均匀相间排开(见图2仰视图)，两个喷淋头的高度可以根据需要选择。每个喷淋头都采用两端供气的方式(如图3所示)，保证了喷头内气流的均匀分布。喷头(包括孔)的尺寸根据反应室的不同做相应的调整，以满足使用需求为好。样品托的方向与喷淋头平行，样品放在样品托的上面，喷淋孔的下方，与喷淋头的距离可以调整，如图1所示，根据反应器外管的尺寸和反应气体的成分以及气流的流量，可以调节喷淋头与样品托之间的距离。每个喷淋头的进气方向(见图4剖面图)。载气采用水平供气的方式，即与源气的供气方向垂直，用来带走未反应残余的源气及其他反应生成物等，由于载气的流速通常较比源气流速低得多，因此对于源气的分布影响较小。

针对不同的应用，制备反应器的材料为不锈钢、玻璃、石英、金属及石墨等，但是要求在水平反应器中采用的源气以垂直喷淋方式从喷淋孔流出，两路气的喷淋头在空间上重叠，喷淋头的出气口可以采用直接打孔或者采用打孔后加延长管(改变出气孔高度)的方式，样品托的方向与喷淋头平行，样品放在样品托的上面，喷淋孔的下方，与喷淋头平行，载气的方向沿水平式反应器方向，与源气的方向垂直，两路源气和样品托可以固定在一起(集成化)，也可以每一路独立控制相对位置。

如上所述，由于本装置在使用过程中，可以控制气流均匀分布，减小空间分布的不均匀性和反应气体的混合区长度，优点归纳如下：

1.采用喷淋式的反应室结构，即使在样品不旋转的情况下也可保证了外延生长中大面积均匀性的实现，

2.采用喷淋供气方式，保证了两种反应气体在混合区很小的情况下也可以实现均匀混合，同时也减少了对外延生长有害的预反应的发生；

3.采用喷淋头与样品平行的结构，使得反应器结构容易加工，保证了良好的重复性；有利于制备出集成化的反应器结构，即源气出口和样品托固定在一起，进一步提高了实验的重复性。

附图说明

图1：本发明提供的用于气相沉积的水平式反应器结构的侧视示意图

图2：本发明提供的用于气相沉积的水平式喷淋孔分布平面示意图

图3：本发明提供的用于气相沉积的水平式底部喷淋头结构仰视图

图4：本发明提供的用于气相沉积的水平式喷淋头进气方向剖面图

图中：1.腔体外壁 2.源气喷淋头 3.样品 4.样品托 5.顶部喷淋头孔 6.底部喷淋头孔 7.进气方向 8.气流管道

具体实施方式

下面通过具体实施例子进一步说明本发明的实质性特征点和显著进步，但本发明绝非仅限于实施例。

实例1.用作氢化物气相外延(HVPE)制备GaN材料中。整个反应器采用石英材料制备，源气的喷淋头采用如图1所示的结构。两路源气GaCl和NH₃分别经两个喷淋头流出，载气采用N₂，和源气都由水平腔体的一端流入，然后经另外一端流出。衬底Al₂O₃放在样品托上，GaCl和NH₃气路的喷淋头分别选择36个和25个喷淋孔，相间排开，与下面的样品托上下对正。即可进行GaN的沉积生长。我们采用这种方法获得了厚度和质量均匀的2英寸GaN材料。实验结果表明，采用我们设计的反应器结构进行外延生长，即使在样品不旋转的情况下也可以获得大面积均匀的材料。

Claims

1、一种用于气相沉积的水平式反应器结构，其特征在于：

(1)反应器由两组喷淋头、一路载气、一个样品托和一个水平腔体构成；

(2)两组源气以垂直喷淋方式分别从两个喷淋孔流出；两组气的喷淋头在空间上重叠，两路喷淋头的喷淋孔在水平位置上均匀相间排开，与下面的样品托上下对正；

(3)载气的方向沿水平式反应器方向，与源气方向垂直；

(4)样品托的方向与喷淋头平行。

2、按权利要求1所述用于气相沉积的水平式反应器结构，其特征在于每个喷淋头采用两端供气的方式；喷淋头整体形状呈长方形。

3、按权利要求1或2所述用于气相沉积的水平式反应器结构，其特征在于喷淋头的出气口采用直接打孔的方式或采用打孔后加延长管的方式。

4、按权利要求1所述用于气相沉积的水平式反应器结构，其特征在于所述的载气和源气由水平腔的一端流入，然后从腔体另一端流出。

5、按权利要求1所述用于气相沉积的水平式反应器结构，其特征在于两路源气喷淋头和样品托固定在一起，或分别控制各气路的相对位置。

6、按权利要求1所述用于气相沉积的水平式反应器结构，其特征在于所述的水平腔体呈圆形或方形。

7、按权利要求1、2、4、5或6中任意一项所述用于气相沉积的水平式反应器结构，其特征在于制备反应器的材料为不锈钢、玻璃、石英、金属或石墨中的任意一种。

8、按权利要求3所述用于气相沉积的水平式反应器结构，其特征在于制备反应器的材料为不锈钢、玻璃、石英、金属或石墨中的任意一种。