專利名稱：一種實現氣體隔離和均勻化的噴淋頭裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬有機化學氣相沉積設備，尤其是一種實現氣體隔離和均勻化的噴淋頭裝置。
背景技術：
金屬有機物化學氣相沉積設備(Metal-OrganicChemical Vapor Deposition 簡稱MOCVD)是制備高亮度發光二級管、大功率激光器和搞電子遷移率晶體管等薄膜器件的關鍵工藝設備。組份均勻、厚度均勻、界面陡峭是薄膜生長的基本要求，因此提高薄膜生長的均勻性一直是MOCVD反應器持續改進的核心任務之一。均勻性控制直接關系到材料外延生長質量的優劣，它包括流速均勻、組份均勻、溫度均勻三個方面“流速均勻性”要求在端蓋噴射面上噴射氣體的流速具有較好的一致性，這就要求氣體在到達噴射面前，在噴淋頭內部就已經形成單向、均勻、穩定的流場。“組份均勻性”要求向反應室內噴射的各種組份混合均勻，但通常反應室內部流場環境會導致組份的波動，因此控制噴淋頭輸運氣體的溫度與組份非常關鍵，要求反應氣體在到達基片前盡量不發生反應，而到達基片后能夠混合均勻，并發生化學反應。“溫度均勻性”要求反應氣體在到達基片前，在反應室內部同一高度水平面保持溫度均勻，這樣才能保證不同基片的外延生長環境幾乎相同，同時，基于抑制寄生反應的考慮，要控制腔室內溫場的梯度分布，盡可能形成薄的熱邊界層。以上三種均勻性指標相互牽連，相互制約，若流速不一致，進入反應室后等體積的組份不可能很均勻；而溫度不均勻則可能導致局部區域寄生反應弱，而其他區域寄生反應強，在到達襯底同一高度的平面內，氣體組份不但不均勻，而且還衍生出其他物質。綜上分析不難看出，MOCVD噴淋頭裝置的結構設計必須緊扣“三個均勻性”指標的實現。因此，主流MOCVD設備的開發商無不在噴淋頭裝置的結構設計上持續改進，不斷升級。而每一代新產品的出現很大程度上都圍繞提高“三個均勻性”指標提出的。中國專利文獻CN201099698Y公開的“三重氣流金屬有機物氣相沉積設備反應腔體”提出的“穿管分層焊接、均勻分布”的方法(見圖11所示)，從根本上解決了 III族與V族氣體的相互隔離， 且較好的實現了流速與組份的均勻性；獨立連續的水冷層為兩種氣體的均勻冷卻提供了最優的解決方案。但由于這種穿管熔焊技術只有少數加工商能夠完成，價格極其昂貴，嚴重阻礙了國內該技術對MOCVD開發應用的推廣。此外，中國專利文獻CN101122012A公開的《用于金屬有機物化學氣相淀積設備的大面積梳狀噴淋頭》(見圖12)，介紹了一種大面積梳狀形式的噴淋頭，可實現III族與V族氣體分別從噴淋頭整體結構兩側獨立送氣，并在反應腔襯底方均勻噴射，其實現的方法采用總管進氣，支管送氣，兩類氣源支管交錯排列，并在同側加工均勻布置的噴淋孔。該結構盡管實現獨立送氣，但氣體從總管接口到達每個支管末端一定存在壓力不均，使得從各支管小孔噴出氣體的流速不均，影響流場的均勻性，另外，該結構很難增加獨立的水冷層，因此未知其如何解決溫度均勻這一問題。
此外申請號為US2009/0098276A1公開了發明名稱為《Multi-GAS Straight Channel Showerhead》美國專利，提出了目前MOCVD最通用的噴淋頭結構(見圖13、14所示)。從圖13、14表達的結構形式看出它的結構特點為III、V族氣源的氣體分別從兩個進氣口進入噴淋頭裝置104的第一進氣總通道和第二進氣總通道，并隨后通過第一支路通道和第二支路通道，最終進入混合通道由噴淋出口向襯底噴射。該裝置的特點是1)氣體分配通道為水平分層直通道，并采用焊接的金屬空心管連通噴射室，保證兩路反應氣體的獨立輸送；幻噴射室內氣路通道之間相間設有與之平行的水冷通道，用以輸送制冷氣體提高溫度均勻性。其缺陷是1)裝置受水平分式層進氣通道的限制，通道之間的鏈接只能采用金屬空心管焊接構成，但噴射室的小孔成千上萬，且數量隨面積增加而迅速增加，要求穿管焊接的點太多、太密集，現有的焊接工藝極難保證具有百分之百的焊接質量。一旦出現焊接質量問題會導致整個裝置報廢。幻采用靠近反應壁處的大孔或密集空提高噴射氣體的流速，這部分氣體包含有反應氣體，勢必會造成反應氣體耗氣量增加，同時相間的水冷通道也難于保證周邊流場的穩定性和均勻性。此外，中國專利文獻公開了同樣用于MOCVD設備的《一種MOCVD設備新型噴淋頭裝置》(見附圖15)，該裝置包括一氣體分配單元和一噴射室圍設形成一密閉空間，通過設置在氣體分配單元上的進氣端面和若干進氣分組隔板構成的若干氣體通過區和若干氣體阻擋區，并通過設有出氣端面和若干出氣擱板、并在隔板上設有的若干貫通型出氣孔構成的噴射室，使所述氣體分配單元的氣體通過和所述噴射室的出氣孔構成若干垂直分割氣路單元，使同一進氣體分組隔板內的垂直分隔氣路單元構成輸送特定氣體的噴淋頭專用氣路。 該裝置的缺陷在于裝配時需要嚴格注意上下兩層環形部的對位，否則將會因錯位而造成上下氣路之間的通暢。
發明內容
本發明的目的旨在提出一種結構更為簡單、安裝使用更為可靠易行的MOCVD設備噴淋頭裝置。這種實現氣體隔離和均勻化的噴淋裝置，包括壓蓋1、端蓋2、底座3及經緊固螺釘 7固定于端蓋與底座中心的噴淋頭，所述的壓蓋上設有供不同種類流體進入的進口，所述的噴淋頭包括設有槽道和筋板的氣體分隔環8、設有槽道和筋板的氣體分配單元4和噴射室 5，并按照氣體分隔環8、軟性多孔材料6、氣體分配單元4和噴射室5自上而下的順序組裝構成噴淋機構，其特征在于所述的噴淋機構內至少設有一層能在較大壓力作用下產生塑性變形、形成類似橡膠或金屬一樣的密封結構，而在未受擠壓部位則構成流體通道的軟性多孔材料6。所述的軟性多孔材料6設置在氣體分隔環8與氣體分配單元4之間，并與上述兩者之間對應設置的槽道構成流體通道，同時也經兩者之間對應設置的筋板構成密封面。所述的軟性多孔材料6設置在氣體分配單元4與噴射室5之間，其受擠壓部構成氣體分配單元4與噴射室5連接面的密封結構，其未受擠壓部位構成氣體分配單元4下部通向噴射室5噴出口的流體通道。所述的軟性多孔材料6為金屬材料或非金屬材料制成的網狀多孔結構，其材質采用銅合金絲、鎳合金絲、特殊不銹鋼合金絲或聚四氟乙烯絲中的任一種通過編織而形成。
所述的氣體分隔環8與氣體分配單元4的筋板之間呈凹凸槽型結構，所述的軟性多孔材料6在氣體分隔環8與氣體分配單元4之間呈凹凸裝設置，兩者的槽道部為流道，兩者的結合邊部和筋板凹凸結合部為密封面。所述的氣體分隔環8的內平面呈“西瓜片狀”分隔，所述圓片型氣體分隔環表面由中心向兩邊形成“西瓜片狀”槽道8. 2，槽道與槽道之間為弧形筋板8. 1所述的氣體分配單元4內平面呈“西瓜片狀”分隔，所述圓片型氣體分隔環表面由中心向兩邊形成“西瓜片狀”槽道4. 2，槽道與槽道之間為弧形筋板4. 1。根據以上技術方案提出的這種實現氣體隔離和均勻化的噴淋裝置，通過在MOCVD 設備噴淋頭裝置中設置帶有軟性多孔材料組成均勻層，既利用網孔材料內部的密集網狀結構具有較好的透過能力，使之成為實現全體均化的流體通道，同時也通過擠壓變形，使處于上下構件結合部為網狀結構層形成致密的密封層，起到相鄰槽道之間的隔離密封作用。應用這種材料噴淋頭裝置，不僅可以摒棄現有通功能裝置中的采用穿管結構所存在的焊接加工難度、可靠度難度等問題，同時具有非常好的可維護性，噴淋頭自上而下幾乎都能拆卸， 有利于噴淋頭內部清潔維護，重復使用。
圖1為本發明的基本設計結構示意圖(一)；圖2為圖IBB段剖視圖；圖3為本發明的基本設計結構示意圖(二)；圖4圖3中氣體分隔環與氣體分配單元結合面放大圖；圖5為本發明組裝后的整體結構示意圖；圖6為本發明“西瓜片狀”實施的解析結構示意圖；圖7為“西瓜片狀”結構中氣體分隔環的結構示意圖；圖8為“西瓜片狀”結構中氣體分配環的結構示意圖；圖9為擠壓前的軟性材料示意圖；圖10為擠壓后的軟性材料示意圖；圖11為現有技術1的結構示意圖；圖12為現有技術2的結構示意圖；圖13為現有技術3的結構示意圖；圖14為圖13的局部放大的結構示意圖；圖15為現有技術4的結構示意圖。圖中1-壓蓋2-端蓋3-底座4-氣體分配單元4. 1_分配單元筋板4. 2_分配單元槽道4.3-A族輸氣通道4.4-B族輸氣通道4.5-B族噴出孔4.6-A族噴出孔5-噴射室6-軟性多孔材料6. 1-流道孔6. 2-柔性網孔筋板6. 2-密實后的密封邊7-緊固螺釘 7.1-螺孔8-氣體分隔環8.1-分隔環筋板8. 2-分隔環槽道9-A族氣體進口 IO-B族氣體進口 11-筋板12-槽道13-壓力氣體進口 14-冷卻腔15-噴淋口 16-載片盤17-襯底18-反應腔19-加熱器20-排氣口 21-腔體外殼22-緩沖腔23-擋板M-III族氣體進氣口 25-111族氣體總輸氣管沈-III族氣體輸氣支管27-V族氣體總輸氣管觀-V族氣體輸氣支管四-V族氣體氣口 A-A族氣體進口 B-B族氣體進口 C-水進、出口 104-噴淋頭直ο
具體實施例方式以下結合附圖進一步闡述本發明，并給出本發明的是實施例。圖1-圖4為本發明所涉及的實現氣體隔離和均勻化的噴淋裝置的核心模塊的結構原理圖。其中圖1、2為氣體分隔環與氣體分配單元呈平面狀連接組合狀態時的實際結構示意圖。其中圖3、4為氣體分隔環與氣體分配單元呈凹凸契合狀連接組合狀態時的實際結構示意圖。這種實現氣體隔離和均勻化的噴淋裝置，包括壓蓋1、端蓋2、底座3及經緊固螺釘 7固定于端蓋1與底座3中心的噴淋頭，所述的壓蓋1上設有供不同種類流體進入的進口， 所述的噴淋頭包括設有槽道8. 2和筋板8. 1的氣體分隔環8、設有槽道4. 2和筋板4. 1的氣體分配單元4和噴射室5，并按照氣體分隔環8、氣體分配單元4和噴射室5自上而下的順序組裝構成噴淋機構；所述的噴淋機構內至少設有一層能在較大壓力作用下產生塑性變形、形成類似橡膠或金屬一樣的密封結構，而在未受擠壓部位則構成流體通道的軟性多孔材料6。在實際應用中上述軟性多孔材料6在氣體隔離和均勻化的噴淋裝置中的設置可以采用以下兩種基本形式其一，將軟性多孔材料6設置在氣體分隔環8與氣體分配單元4之間，并與上述兩者之間對應設置的一組上下槽道構成流體通道，同時也經兩者之間對應設置的一組上下筋板及環體邊緣結合部構成密封面。 其二，將軟性多孔材料6設置在氣體分配單元4與噴射室5之間，其受擠壓部位構成氣體分配單元4與噴射室5結合面的密封結構，其未受擠壓部位構成氣體分配單元4下部通向噴射室5噴出口的流體通道。通過上述設置，將氣體隔離和均勻化的噴淋裝置中內腔形成具有隔離功能軟性多孔材料6構成的均勻化流道。在實際應用中，可以根據設計需要利用設置多層氣體分隔環、 或者氣體分配單元的結構形式增設軟性多孔材料。在本技術方案中采用在氣體分配單元4 與噴射室5之間設置一層軟性多孔材料6。此外，在本技術方案中，考慮到氣體分隔環8與氣體分配單元4之間可能采取的兩種基本結構面a、平面型連接結構；b、凹凸槽道型連接結構。因此給出了附圖1和附圖3兩種基本結構形式。在圖1給出的本發明中所述的軟性多孔材料6設置在平面狀結合的氣體分隔環 8與氣體分配單元4之間，并與上述兩者之間對應設置的一組上下槽道構成流體通道，同時也經兩者之間對應設置的一組上下筋板及環體邊緣結合部構成密封面。同時，又將所述的軟性多孔材料6設置在氣體分配單元4與噴射室5之間，其受擠壓部位構成氣體分配單元4 與噴射室5結合面的密封結構，其未受擠壓部位構成氣體分配單元4下部通向噴射室5噴出口的流體通道。在圖1、2給出的技術方案中，氣體分隔環8與氣體分配單元4之氣體分配單元4 間呈平面結合，要求上部氣體分隔環8中的筋板8. 1、槽道8. 2應該和下部氣體分配單元4 中的筋板4. 1、槽道4. 2對應設置，形成筋板對筋板、槽道對槽道形式。這樣才能保證該流通的槽道處于暢通狀態，而該處于密封的部位處于嚴格密封狀態。同時在圖2中可以看出 所述的A族氣體可以由進氣口進入后分隔環8中槽道形成的通氣道4. 3，隨后通過軟性多孔材料6構成的孔道自B族噴出孔4. 6噴出。而所述的B族氣體自進氣口 B進入后，首先進入橫向貫通的氣體通道4. 4，而后才能通過軟性多孔材料6構成的孔道自A族噴出孔4. 5 噴出在圖3、4給出的技術方案中，氣體分隔環8與氣體分配單元4之氣體分配單元4 間呈凹凸契合面結合，此時，上部氣體分隔環8中的筋板8. 1設計成向下凸出型，而下部氣體分配單元4的筋板4. 1部位則設計成與之配合的凹槽型。所述氣體分隔環8與氣體分配單元4的槽道8. 2和槽道4. 2依然如舊對應設置。這種結構既通過對應槽道結合、保持槽道暢通狀態，同時又通過壓緊在凹凸狀結合面上的軟性多孔材料6，使該處于密封的部位處于嚴格密封狀態。圖6-圖10給出的實施本技術方案的一種采用“西瓜片狀”槽道分隔的實施例。這種實現氣體隔離和均勻化的噴淋裝置，由壓蓋1、端蓋2、底座3、氣體分隔環8、 氣體分配單元4和本發明提出的軟性多孔材料6組成，在采用槽道分隔方式進氣方式時，將對應的氣體分隔環8的結構設計成典型的“西瓜片狀”的分隔方式，即將氣體分隔環8圓形薄板由中心向兩邊加工出若干“西瓜片狀”的槽道，使相鄰的分隔環槽道8. 2之間形成一定寬度的分隔環弧形筋板8. 1，而氣體分配單元4與之配合的上表面上也加工出對應尺寸與形狀的分配單元槽道4. 2和分配單元筋板4. 1，氣體進入分配單元4后，進入噴射室5完成二次分配。在上述技術方案中設有兩層軟性多孔材料6，上層設置在氣體分隔環8和氣體分配單元4之間，下層設置在氣體分配單元4與噴射室5之間。上述兩層軟性多孔材料6，處于上層的軟性多孔材料6在組裝后，由于受到上層氣體分隔環8和和下層氣體分配單元4 的擠壓作用，在材料表面自然形成擠壓區域與未擠壓區域(見圖10)。受到擠壓的邊緣與筋板對接處被完全填實，起到密封隔離作用；而未受到擠壓的“西瓜片區域”仍然為自然狀態 (見圖9)，氣體可均化通過。即軟性材料被擠壓后也呈現“西瓜片狀”結構。處于下層的軟性多孔材料6設置在分配單元4和噴射室5之間，其被擠壓部分受壓后產生形變，因此形成緊密型圈狀密封面6. 3，而其未受到擠壓部分則保持正常的網孔型流道。在本發明的技術方案中選用的軟性材料為為金屬材料或非金屬材料制成的網狀結構體，其材質為銅合金絲、鎳合金絲、特殊不銹鋼合金絲或聚四氟乙烯絲，或其它具有類似特性的材料中的任一種。由于這些軟性材料具有較好的擠壓延展性，受到擠壓后材料很容易填實密封面，起到隔離作用。因此選用該材料設計的噴淋頭裝置，將其代替金屬穿管， 內部不需要任何焊接工藝，就能實現氣體的隔離輸送。與同功能噴淋頭比較，具有非常好的可維護性，噴淋頭自上而下幾乎都能拆卸，有利于噴淋頭內部清潔維護，重復使用。
權利要求
1.一種實現氣體隔離和均勻化的噴淋裝置，包括壓蓋(1)、端蓋O)、底座C3)及經緊固螺釘(7)固定于端蓋(1)與底座(3)中心的噴淋頭，所述的壓蓋(1)上設有供不同種類流體進入的進口，所述的噴淋頭包括設有槽道(8. 和筋板(8. 1)的氣體分隔環(8)、設有槽道(4.2)和筋板(4. 1)的氣體分配單元(4)和噴射室(5)，并按照氣體分隔環(8)、氣體分配單元(4)和噴射室(5)自上而下的順序組裝構成噴淋機構，其特征在于所述的噴淋機構內至少設有一層能在較大壓力作用下產生塑性變形、形成類似橡膠或金屬一樣的密封結構，而在未受擠壓部位則構成流體通道的軟性多孔材料(6)。
2.如權利要求1所述的一種實現氣體隔離和均勻化的噴淋裝置，其特征在于所述的軟性多孔材料(6)設置在平面狀結合的氣體分隔環(8)與氣體分配單元(4)之間，并與上述兩者之間對應設置的一組上下槽道構成流體通道，同時也經兩者之間對應設置的一組上下筋板環體邊緣結合部構成密封面。
3.如權利要求1所述的一種實現氣體隔離和均勻化的噴淋裝置，其特征在于所述的氣體分隔環(8)與氣體分配單元(4)的筋板之間呈凹凸槽型結構，所述的軟性多孔材料(6) 在氣體分隔環(8)與氣體分配單元(4)之間呈凹凸狀設置，兩者的槽道部為流道，兩者的結合邊部和筋板凹凸結合部，以及環體邊緣結合部為密封面。
4.如權利要求1所述的一種實現氣體隔離和均勻化的噴淋裝置，其特征在于所述的軟性多孔材料(6)設置在氣體分配單元(4)與噴射室( 之間，其受擠壓部位構成氣體分配單元(4)與噴射室(5)結合面的密封結構，其未受擠壓部位構成氣體分配單元(4)下部通向噴射室( 噴出口的流體通道。
5.如權利要求1所述的一種實現氣體隔離和均勻化的噴淋裝置，其特征在于所述的軟性多孔材料(6)為金屬材料或非金屬材料制成的網狀結構體，其材質為銅合金絲、鎳合金絲、特殊不銹鋼合金絲或聚四氟乙烯絲中的任一種。
6.如權利要求1所述的一種實現氣體隔離和均勻化的噴淋裝置，其特征在于所述的氣體分隔環(8)的內平面呈“西瓜片狀”分隔，所述圓片型氣體分隔環表面由中心向兩邊形成“西瓜片狀”槽道(8.幻，槽道與槽道之間為弧形筋板(8. 1)。
7.如權利要求1所述的一種實現氣體隔離和均勻化的噴淋裝置，其特征在于所述的氣體分配單元內平面呈“西瓜片狀”分隔，所述圓片型氣體分隔環表面由中心向兩邊形成“西瓜片狀”槽道(4.幻，槽道與槽道之間為弧形筋板(4. 1)。
全文摘要
本發明涉及的一種實現氣體隔離和均勻化的噴淋裝置，包括壓蓋(1)、端蓋(2)、底座(3)及經緊固螺釘(7)固定于端蓋(1)與底座(3)中心的噴淋頭，所述的壓蓋(1)上設有供不同種類流體進入的進口，所述的噴淋頭包括設有槽道(8.2)和筋板(8.1)的氣體分隔環(8)、設有槽道(4.2)和筋板(4.1)的氣體分配單元(4)和噴射室(5)，并按照氣體分隔環(8)、氣體分配單元(4)和噴射室(5)自上而下的順序組裝構成噴淋機構，其特征在于所述的噴淋機構內至少設有一層能在較大壓力作用下產生塑性變形、形成類似橡膠或金屬一樣的密封結構，而在未受擠壓部位則構成流體通道的軟性多孔材料(6)。
文檔編號C23C16/455GK102418086SQ201110363029
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者張瑜, 龔岳俊 申請人:上海卓銳材料科技有限公司