CN210001931U - 喷淋头装置及mocvd设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种喷淋头装置及MOCVD设备，该喷淋头装置包括固定部件(1)和旋转部件(2)，固定部件(1)和旋转部件(2)通过第一动密封结构(3)密封对接，形成一封闭空间(4)，其中，在固定部件(1)中设置有进气口(5)，该进气口(5)与封闭空间(4)连通；旋转部件(2)包括位于封闭空间(4)底部的喷淋板(21)，该喷淋板(21)能够相对于固定部件(1)围绕自身轴线旋转，且在喷淋板(21)中设置有多个出气口(211)，用于将封闭空间(4)中的气体喷出。本实用新型提供的喷淋头装置，可以提高混气均匀性，从而可以流场均匀性和气源利用率。

Description

喷淋头装置及MOCVD设备

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，特别涉及一种喷淋头装置及MOCVD设备。

背景技术

金属有机物化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，以下简称MOCVD)是制备化合物半导体薄膜材料和器件的一种气相外延新技术，近年来在外延生长GaN、GaAs、InP等的化合物半导体领域起到了重要作用。MOCVD反应腔室的流场均匀性很大程度上影响了外延薄膜的晶体质量，尤其是衬底表面附近气流的均匀性直接影响了沉积膜层的厚度均匀性，从而影响了光电器件的性能。

反应腔室中的气流形成稳定的层流是薄膜生长的基本要求，气流不稳定、气体浓度不均匀均会造成薄膜厚度不均匀。为此，现有的MOCVD反应腔室多采用垂直进气的喷淋头结构，但是，由于现有的喷淋头结构的混气均匀性较差，仍然会存在流场不均匀、气源利用率不高的问题。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种喷淋头装置及MOCVD设备，其可以提高混气均匀性，从而可以流场均匀性和气源利用率。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种喷淋头装置，包括固定部件和旋转部件，所述固定部件和旋转部件通过第一动密封结构密封对接，形成一封闭空间，其中，

在所述固定部件中设置有进气口，所述进气口与所述封闭空间连通；

所述旋转部件包括位于所述封闭空间底部的喷淋板，所述喷淋板能够相对于所述固定部件围绕自身轴线旋转，且在所述喷淋板中设置有多个出气口，用于将所述封闭空间中的气体喷出。

可选的，所述喷淋头装置还包括旋转驱动机构，所述旋转驱动机构包括旋转轴和第二动密封结构，其中，

所述旋转轴可围绕其轴线旋转；

在所述固定部件中设置有安装孔，所述旋转轴竖直穿设于所述安装孔中，且所述旋转轴的下端与所述喷淋板连接；所述旋转轴的轴线与所述喷淋板的轴线重合；

所述第二动密封结构用于对所述旋转轴与所述安装孔之间的间隙进行密封。

可选的，所述第一动密封结构包括磁流体密封件；所述第二动密封结构包括磁流体密封件。

可选的，在所述固定部件中设置有用于输送冷却媒介的冷却通道，及分别与所述冷却通道的两端连通的入口和出口。

可选的，所述喷淋头装置还包括气帘结构，所述气帘结构包括环绕设置在所述喷淋板的周围的多个喷气口，多个所述喷气口用于喷出非反应气体，以在所述喷淋板的周围形成气帘。

可选的，所述旋转部件还包括第一环形侧壁，所述第一环形侧壁的下端与所述喷淋板连为一体，所述第一环形侧壁的上端与所述固定部件对接，且所述固定部件、所述第一环形侧壁和所述喷淋板形成所述封闭空间；所述第一动密封结构设置在所述第一环形侧壁与所述固定部件的两个对接面之间。

可选的，所述固定部件包括顶板和第二环形侧壁，所述第二环形侧壁的上端与所述顶板连为一体，所述第二环形侧壁的下端与所述喷淋板密封对接，且所述顶板、所述第二环形侧壁和所述喷淋板形成所述封闭空间。

作为另一个技术方案，本实用新型还提供一种MOCVD设备，包括反应腔室和设置在所述反应腔室顶部的喷淋头装置，在所述反应腔室内设置有用于承载被加工工件的基座，所述喷淋头装置采用本实用新型提供的上述喷淋头装置。

可选的，所述基座可围绕其轴线旋转，且所述基座的旋转方向与所述喷淋板的旋转方向相反。

可选的，所述基座的上表面与所述喷淋板的下表面之间的竖直间距的取值范围在25mm-50mm。

本实用新型的有益效果：

本实用新型所提供的喷淋头装置，其通过设置固定部件和旋转部件，且使旋转部件中的喷淋板相对于固定部件围绕自身轴线旋转，可以加速进入由固定部件和旋转部件形成的封闭空间中的多种气体的混合，从而使气体能够经充分混合后再通过喷淋板中的各个出气口喷出，从而可以提高混气均匀性。同时，在喷淋板的旋转作用下，喷出的气体会在位于喷淋板下方的被加工工件上方附近形成层流，从而可以提高流场均匀性和气源利用率，进而可以提高工艺均匀性和产品良率。另外，本实用新型提供的喷淋头装置适用于大尺寸反应腔室的气体混合，能够满足其对气体均匀性的要求。

本实用新型所提供的MOCVD设备，其通过采用本实用新型提供的上述喷淋头装置，可以提高流场均匀性和气源利用率，进而可以提高工艺均匀性和产品良率。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例提供的喷淋头装置的剖视图；

图2为本实用新型第一实施例采用的固定部件的俯视图；

图3为本实用新型第一实施例采用的喷淋板的仰视图；

图4为本实用新型第二实施例提供的喷淋头装置的剖视图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型提供的喷淋头装置及MOCVD设备进行详细描述。

第一实施例

请参阅图1至图3，本实施例提供的喷淋头装置，其可以应用于任意一种需要进气的半导体设备中，尤其适用于MOCVD设备。该喷淋头装置用于设置在反应腔室的顶部，实现多种气体的充分混合，并将混合后的气体通入反应腔室内。

喷淋头装置包括固定部件1和旋转部件2，二者通过第一动密封结构3密封对接，形成一封闭空间4，其中，固定部件1为位于封闭空间4顶部的平板结构，且在固定部件1中设置有两个进气口5，每个进气口5均与封闭空间4连通，用于将工艺气体输送至封闭空间4中。

需要说明的是，每个进气口5可以输送单一种类的气体，或者也可以输送由多种气体混合的混合气体。不同进气口5输送的气体种类不同。以喷淋头装置应用于MOCVD反应腔室为例，两个进气口5可用于分别输送Ⅲ族MO气体和Ⅴ族氢化物气体，可选的，这两种气体也可以分别混合有相应的掺杂气体。

旋转部件2包括位于封闭空间4底部的喷淋板21和第一环形侧壁22，其中，第一环形侧壁22的下端与喷淋板21连为一体，连为一体的方式例如为一体成型或者密封焊接为一体等等。第一环形侧壁22的上端与固定部件1对接，且固定部件1、第一环形侧壁22和喷淋板21形成上述封闭空间4。喷淋板21及第一环形侧壁22能够相对于固定部件1围绕自身轴线旋转，且在喷淋板21中设置有多个出气口211，用于将封闭空间4中的气体喷出，并流入反应腔室的内部。如图3所示，优选的，多个出气口211较均匀地分布在喷淋板21中，以能够均匀地喷出气体。

并且，第一动密封结构3设置在第一环形侧壁22与固定部件1的两个对接面之间，用于对两个对接面之间的间隙进行密封，同时保证喷淋板21能够相对于固定部件1旋转。优选的，该第一动密封结构3包括磁流体密封件，该磁流体密封件具有密封性好的优点，且能够减小在喷淋板21旋转过程中产生的噪音。当然，在实际应用中，也可以采用其他动密封结构，例如接触式密封结构、非接触式密封结构等等。另外，磁流体密封件的具体结构及密封方式可以采用现有技术中的磁流体密封结构和密封方式来实现，在此不再赘述。

通过使喷淋板21和第一环形侧壁22相对于固定部件1围绕自身轴线旋转，可以加速进入封闭空间4中的多种反应气体的混合，从而使反应气体能够经充分混合后再通过喷淋板21中的各个出气口211喷出，从而可以提高混气均匀性。同时，在喷淋板21的旋转作用下，喷出的气体会在位于喷淋板21下方的被加工工件形成层流，从而可以提高流场均匀性和气源利用率，进而可以提高工艺均匀性和产品良率。另外，由于喷淋板21和第一环形侧壁22的旋转可以带动整个封闭空间内的气体流动，可以适用于大尺寸反应腔室的气体混合，能够满足其对气体均匀性的要求。

在本实施例中，喷淋头装置还包括旋转驱动机构，该旋转驱动机构包括旋转轴9和第二动密封结构6，其中，如图2所示，在固定部件1中设置有安装孔101，旋转轴9竖直穿设于该安装孔101中，且旋转轴9的下端与喷淋板21连接；旋转轴9的轴线与喷淋板21的轴线重合。并且，旋转轴9可围绕其轴线旋转，例如，旋转轴9的上端可与驱动源连接，在该驱动源的驱动下，旋转轴9带动喷淋板21同步做旋转运动。驱动源例如为旋转电机、马达等。

第二动密封结构6用于对旋转轴9与安装孔101之间的间隙进行密封，从而保证密封空间4的密封性。优选的，第二动密封结构6包括磁流体密封件。该磁流体密封件例如为磁流体密封轴承。

需要说明的是，在本实施例中，旋转驱动机构为电机和旋转轴，但是，本实用新型并不局限于此，在实际应用中，还可以采用其他旋转驱动机构驱动喷淋板21旋转，例如，非接触式的磁力驱动等等。

在本实施例中，在固定部件1中设置有用于输送冷却媒介的冷却通道(图中未示出)，及分别与该冷却通道的两端连通的入口7和出口8。冷却媒介通过入口7进入冷却通道，并经由出口8流出，从而实现循环冷却。借助冷却通道，可以对整个喷淋头装置进行冷却，避免喷淋头装置的温度过高，从而可以提高喷淋头装置的寿命。冷却媒介例如为冷却水或者冷却气体等。冷却通道例如可以为内嵌在固定部件1中的冷却管路，优选的，冷却通道为环绕固定部件1的轴线的环形通道，以提高冷却均匀性。

在本实施例中，喷淋头装置还包括气帘结构(图中未示出)，该气帘结构包括环绕设置在喷淋板21的周围的环体20，且在该环体20中设置有沿其周向间隔分布的多个喷气口201，多个喷气口201用于喷出非反应气体，以在喷淋板21的周围形成气帘。这样，可以将自出气口211喷出的气体限制在气帘所围成的空间内，从而既可以进一步提高气流均匀性，又可以提高气源利用率。同时，若存在向上流动的废气，气帘还可以阻挡废气返流至气帘所围成的空间内，避免废气给工艺带来不良影响。所谓非反应气体，是指不参与反应的气体，优选为与工艺所使用的载气一致的气体，例如氮气、氢气或者其他惰性气体。

需要说明的是，在本实施例中，气帘结构由环体20及其中的喷气口201组成，但是，本实用新型并不局限与此，在实际应用在好，气帘结构也可以由环绕设置在在喷淋板21的周围的多根进气管路组成，每根进气管路的出气端用作喷气口朝下设置，用于喷出非反应气体。

第二实施例

请参阅图4，本实施例提供的喷淋头装置，其与上述第一实施例相比，同样包括固定部件1’和旋转部件2’，二者通过第一动密封结构3密封对接，形成一封闭空间4，但是，固定部件1’和旋转部件2’的结构与上述第一实施例的技术方案不同。

具体地，在本实施例中，旋转部件2’为一平板结构，即，喷淋板。固定部件1’包括顶板11和第二环形侧壁12，该第二环形侧壁12的上端与顶板11连为一体，第二环形侧壁12的下端与喷淋板通过第一动密封结构3密封对接，且顶板11、第二环形侧壁12和喷淋板形成封闭空间4。

在本实施例中，喷淋板的旋转同样可以加速封闭空间4内的气体流动，从而使反应气体能够经充分混合后再通过喷淋板中的各个出气口211喷出，从而可以提高混气均匀性。

上述喷淋板、第一动密封结构3和顶板11等部件的结构和功能与第一实施例相同，由于在上述第一实施例中已有了详细描述，在此不再赘述。

作为另一个技术方案，本实用新型实施例还提供一种MOCVD设备，其包括反应腔室和设置在该反应腔室顶部的喷淋头装置，其中，在反应腔室内设置有用于承载被加工工件的基座，该喷淋头装置采用本实用新型实施例提供的上述喷淋头装置，用于实现多种气体的充分混合，并将混合后的气体通入反应腔室内。

在现有技术中，为了保证气场能够在基座上的被加工工件上方形成层流，提供气场均匀性，通常将上述竖直间距设定得较小(小于25mm)，这虽然可以在一定程度上提供气场均匀性，但是，上述上述竖直间距过小会导致反应腔室的上壁与侧壁的沉积污染加剧，一方面影响气体利用率，另一方面还会增加反应腔室与喷淋头装置的清洗频率，从而增加使用成本。

但是，在本实用新型实施例提供的MOCVD设备中，其采用的喷淋头装置利用喷淋板或者喷淋板和环形侧壁的旋转，就能够实现喷出的气体在被加工工件的上方附近形成层流，而无需再通过缩短基座与喷淋板之间的竖直间距来实现，因此，可以适当增大该竖直间距，以避免出现现有技术中存在的污染、气体利用率低及清洗频率高等问题。优选的，基座的上表面与喷淋板的下表面之间的竖直间距的取值范围在25mm-50mm。

可选的，基座可围绕其轴线旋转，且基座的旋转方向与喷淋板的旋转方向相反。这样，可以进一步提高气场均匀性。

综上所述，本实用新型实施例所提供的MOCVD设备，其通过采用本实用新型实施例提供的上述喷淋头装置，可以提高流场均匀性和气源利用率，进而可以提高工艺均匀性和产品良率。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种喷淋头装置，其特征在于，包括固定部件(1)和旋转部件(2)，所述固定部件(1)和旋转部件(2)通过第一动密封结构(3)密封对接，形成一封闭空间(4)，其中，

在所述固定部件(1)中设置有进气口(5)，所述进气口(5)与所述封闭空间(4)连通；

所述旋转部件(2)包括位于所述封闭空间(4)底部的喷淋板(21)，所述喷淋板(21)能够相对于所述固定部件(1)围绕自身轴线旋转，且在所述喷淋板(21)中设置有多个出气口(211)，用于将所述封闭空间(4)中的气体喷出。

2.根据权利要求1所述的喷淋头装置，其特征在于，所述喷淋头装置还包括旋转驱动机构，所述旋转驱动机构包括旋转轴(9)和第二动密封结构(6)，其中，

所述旋转轴(9)可围绕其轴线旋转；

在所述固定部件(1)中设置有安装孔(101)，所述旋转轴(9)竖直穿设于所述安装孔(101)中，且所述旋转轴(9)的下端与所述喷淋板(21)连接；所述旋转轴(9)的轴线与所述喷淋板(21)的轴线重合；

所述第二动密封结构(6)用于对所述旋转轴(9)与所述安装孔(101)之间的间隙进行密封。

3.根据权利要求2所述的喷淋头装置，其特征在于，所述第一动密封结构(3)包括磁流体密封件；所述第二动密封结构(6)包括磁流体密封件。

4.根据权利要求1所述的喷淋头装置，其特征在于，在所述固定部件(1)中设置有用于输送冷却媒介的冷却通道，及分别与所述冷却通道的两端连通的入口(7)和出口(8)。

5.根据权利要求1所述的喷淋头装置，其特征在于，所述喷淋头装置还包括气帘结构，所述气帘结构包括环绕设置在所述喷淋板(21)的周围的多个喷气口，多个所述喷气口用于喷出非反应气体，以在所述喷淋板(21)的周围形成气帘。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的喷淋头装置，其特征在于，所述旋转部件(2)还包括第一环形侧壁(22)，所述第一环形侧壁(22)的下端与所述喷淋板(21)连为一体，所述第一环形侧壁(22)的上端与所述固定部件(1)对接，且所述固定部件(1)、所述第一环形侧壁(22)和所述喷淋板(21)形成所述封闭空间(4)；所述第一动密封结构(3)设置在所述第一环形侧壁(22)与所述固定部件(1)的两个对接面之间。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的喷淋头装置，其特征在于，所述固定部件(1’)包括顶板(11)和第二环形侧壁(12)，所述第二环形侧壁(12)的上端与所述顶板(11)连为一体，所述第二环形侧壁(12)的下端与所述喷淋板密封对接，且所述顶板(11)、所述第二环形侧壁(12)和所述喷淋板形成所述封闭空间(4)。

8.一种MOCVD设备，包括反应腔室和设置在所述反应腔室顶部的喷淋头装置，在所述反应腔室内设置有用于承载被加工工件的基座，其特征在于，所述喷淋头装置采用权利要求1-7任意一项所述的喷淋头装置。

9.根据权利要求8所述的MOCVD设备，其特征在于，所述基座可围绕其轴线旋转，且所述基座的旋转方向与所述喷淋板的旋转方向相反。

10.根据权利要求8所述的MOCVD设备，其特征在于，所述基座的上表面与所述喷淋板的下表面之间的竖直间距的取值范围在25mm-50mm。

Images