專利名稱：用于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的氣體墻結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化學(xué)氣相沉積設(shè)備，具體涉及一種用于化學(xué)氣相淀積設(shè)備中的氣 體墻結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
用化學(xué)氣相淀積方法(Chemical Vapor D印osition，簡稱CVD)淀積薄膜材料，通 常需要各種原材料和載入氣體，原材料包括參與化學(xué)反應(yīng)并形成薄膜產(chǎn)物的原料成分；載 氣包括各種攜帶原材料的氣體，如氫氣、氮?dú)獾?，這些載氣只載入原材料進(jìn)入反應(yīng)室，本身 并不參與化學(xué)反應(yīng)。CVD薄膜淀積過程都包含以下步驟(1)載氣攜帶著反應(yīng)物從反應(yīng)器進(jìn)口，在反應(yīng) 室的壁面約束下流向反應(yīng)器出口，此主氣流流動受到溫差、流道擴(kuò)張、基片旋轉(zhuǎn)等引起的強(qiáng) 烈影響；(2)主氣流在基片上方形成平行于基片的三種邊界層；在邊界層內(nèi)反應(yīng)物被加熱， 發(fā)生分解、置換等氣相化學(xué)反應(yīng)，生成反應(yīng)中間產(chǎn)物；(3)反應(yīng)物或反應(yīng)中間物通過對流和 濃度擴(kuò)散，穿透邊界層到達(dá)基片表面；(4)反應(yīng)物在基片表面吸附，再通過表面擴(kuò)散、結(jié)合 入晶格等表面反應(yīng)步驟完成薄膜淀積；(5)反應(yīng)物和反應(yīng)副產(chǎn)物在表面解吸；(6)解吸后的 反應(yīng)副產(chǎn)物再通過對流和濃度擴(kuò)散，回到主氣流，最終被帶到反應(yīng)室外。在CVD反應(yīng)過程中，表面化學(xué)反應(yīng)速率通常遠(yuǎn)大于反應(yīng)物輸運(yùn)速率，因此薄膜的 生長速率取決于分子量最大的反應(yīng)物輸運(yùn)到表面的速率；另一方面，薄膜生長的組分和厚 度主要取決于基片上方的反應(yīng)物濃度分布和溫度分布，即無論薄膜生長的速率還是質(zhì)量， 都強(qiáng)烈的受氣體輸運(yùn)過程的影響，因此稱生長為輸運(yùn)過程控制的反應(yīng)。要生長出厚度、摻雜 濃度和組分均勻的薄膜材料，根據(jù)CVD技術(shù)的反應(yīng)機(jī)理可知必須使達(dá)到基片的反應(yīng)物濃 度盡量均勻一致。但是，隨著氣流在基片上方的流動，反應(yīng)物的沿程損耗不可避免。為此， 人們在反應(yīng)器上進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，包括了在進(jìn)氣方式，反應(yīng)室結(jié)構(gòu)，出氣方式等等。典型 的有，在水平式反應(yīng)器中，通過抬高放置基片的石墨基座，使流道截面積變窄，增大流速以 減薄邊界層，從而達(dá)到補(bǔ)償后程的反應(yīng)物的消耗；在垂直式反應(yīng)器中，通過托盤的高速旋轉(zhuǎn) 實(shí)現(xiàn)薄邊界層來提高基片上方反應(yīng)物的濃度均勻性；因?yàn)閭鹘y(tǒng)的上進(jìn)下出式結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器 中，從基片正上方噴入的反應(yīng)氣體必須流到托盤邊緣，再由排布在反應(yīng)器側(cè)面或下部的出 口排出，在托盤中心處噴入的反應(yīng)氣體和在托盤邊緣處的反應(yīng)氣體流經(jīng)的距離明顯不同。 中心處的生成物尾氣不能及時排出，導(dǎo)致基片沿徑向的厚度和摻雜濃度仍存在不均勻。于 是有專家提出上進(jìn)上出式結(jié)構(gòu)，使反應(yīng)尾氣能從每個基片周圍迅速的排出，從而來提高生 長的均勻度。在CVD反應(yīng)器中，壁面的作用通常是約束主氣流，使其在高溫基片上方反應(yīng)，沉 積所需的薄膜，往往壁面上也不可避免的有寄生沉積。為此，如在金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD)中，反應(yīng)室壁面一般都需要水冷，使壁面保持在低溫，來減少寄生沉積的量。但是， 實(shí)際上每次生長完畢后，壁面的沉積物仍然會影響到下次的生長。特別是在生長復(fù)雜結(jié)構(gòu) 時，如發(fā)光二極管(LED)、激光器(LD)等，需要引入化學(xué)活性高的Al源。其反應(yīng)生成的大多為不可逆的加聚物，形成的白色粉末會沉積在反應(yīng)室壁面上。長期生長后留下的影響，即使 經(jīng)過烘烤、化學(xué)腐蝕等處理，也不能完全消除，會危害生長的薄膜質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種用于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的氣體墻結(jié)構(gòu)，其可有效防 止壁面寄生沉積，并使薄膜的沉積更加均勻，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種用于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的氣體墻結(jié)構(gòu)，其特征在于所述氣體墻結(jié)構(gòu)包括 外管和內(nèi)管，內(nèi)管設(shè)置在外管內(nèi)腔中，且內(nèi)管外壁和外管內(nèi)壁之間留有均勻間隙，該間隙與 設(shè)置在外管上的一個以上進(jìn)氣口連通，所述內(nèi)管上沿軸向還分布復(fù)數(shù)個連通內(nèi)管內(nèi)腔和所 述均勻間隙的氣隙結(jié)構(gòu)；其中，每一氣隙結(jié)構(gòu)包括沿周向均勻分布的兩個以上進(jìn)氣縫隙、一環(huán)形延伸壁和 一環(huán)形導(dǎo)流壁，所述延伸壁和導(dǎo)流壁沿進(jìn)入該氣隙結(jié)構(gòu)的氣流運(yùn)動方向依次分布在內(nèi)管內(nèi) 腔中，所述延伸壁一端固定在內(nèi)管內(nèi)壁上，另一端蓋過進(jìn)氣縫隙，并與進(jìn)氣縫隙、內(nèi)管內(nèi)壁 共同構(gòu)成氣流通道，所述導(dǎo)流壁為設(shè)置在內(nèi)管內(nèi)壁上的環(huán)形傾斜面，該傾斜面自其靠近進(jìn) 氣縫隙的一端起向內(nèi)管中心處傾斜。進(jìn)一步地講所述延伸壁另一端位于進(jìn)氣縫隙和導(dǎo)流壁之間。所述進(jìn)氣口為一個，其設(shè)置在外管的中部。所述進(jìn)氣口為兩個以上，其均勻分布在外管上。所述進(jìn)氣口為一個，其設(shè)置在外管的一側(cè)，且沿氣流運(yùn)行方向，外管與內(nèi)管之間的 間隙逐漸減小。所述內(nèi)管包括復(fù)數(shù)個內(nèi)部單元管，相鄰兩個內(nèi)部單元管按照首尾相接的方式依次 排布，且每一內(nèi)部單元管首端部沿周向均勻設(shè)置二個以上進(jìn)氣縫隙，尾端部設(shè)置延伸壁，且 進(jìn)氣縫隙與延伸壁之間的管體內(nèi)壁上設(shè)置導(dǎo)流壁。所述每一內(nèi)部單元管的首端部設(shè)置內(nèi)螺紋，尾端部設(shè)置外螺紋，相鄰兩個內(nèi)部單 元管的首端部與尾端部以所述內(nèi)螺紋和外螺紋固定組接。所述的進(jìn)氣縫隙為條狀或帶狀。本案發(fā)明人針對現(xiàn)有CVD反應(yīng)器中存在的上述缺陷，經(jīng)長期研究和實(shí)踐，提出一 種新型的壁面結(jié)構(gòu)(氣體墻)，該氣體墻能夠在近壁面的區(qū)域形成一股附加的貼壁氣流，用 來補(bǔ)充反應(yīng)源或者防止壁面寄生沉積之用。具體而言，本發(fā)明的氣體墻結(jié)構(gòu)主要由外管和內(nèi)管兩部分組成，外管上設(shè)置有進(jìn) 氣口，從此進(jìn)入的可以是反應(yīng)源氣體(一般由載氣攜帶)或者是惰性氣體N2、Ar等。外管 管徑要大于內(nèi)管管徑，內(nèi)外管間留有縫隙，并可以根據(jù)入氣口的不同位置來調(diào)整前、后程縫 隙的流道截面積大小，來實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣縫隙的氣流均勻性。內(nèi)管包括多個內(nèi)部單元管，每一內(nèi)部 單元管上沿周向均勻分布多條進(jìn)氣縫隙，通常情況下，周向上分布的進(jìn)氣縫隙越密，形成的 貼壁氣流會更快達(dá)到均勻。另外，在各內(nèi)部單元管的內(nèi)、外表面還可分別設(shè)置可配合的內(nèi)、外螺紋，藉此內(nèi)、外 螺紋，相鄰兩個內(nèi)部單元管即可相互嚙合連接在一起。同時，各內(nèi)部單元管中還設(shè)置有一段延伸壁和一段導(dǎo)流壁，當(dāng)氣流從進(jìn)氣縫隙進(jìn)入后，首先會經(jīng)過延伸壁，它起的是一個緩沖氣 流的作用，使氣流由縱向過流動慢慢過渡到平行于主管道軸線的橫向流動，接著氣流在橫 向流動下經(jīng)過導(dǎo)流壁，它的作用是對氣流進(jìn)行約束和導(dǎo)流，使氣流慢慢在周向均勻，再經(jīng)過 一段的流程，最終使進(jìn)入的氣體形成均勻的貼壁流，在主管道內(nèi)部橫向流動。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于藉本發(fā)明的氣體墻結(jié)構(gòu)，可以得到對主 流氣體無影響的貼壁氣流，這種貼壁氣流可以用在CVD反應(yīng)器的兩個地方一是可以用在 主反應(yīng)區(qū)以補(bǔ)償反應(yīng)源的沿程損失，使薄膜的沉積更加均勻；二是可以用在不希望發(fā)生寄 生沉積的區(qū)域(如尾氣系統(tǒng)等)用來阻止反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)散到近壁面區(qū)域，從而防止了壁面寄 生沉積，使反應(yīng)室內(nèi)更清潔，有效減小了爐與爐之間的相互影響。


圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中一種用于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的氣體墻結(jié)構(gòu)示意 圖；圖2是圖1中所示內(nèi)部單元管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是將圖1中所示氣體墻應(yīng)用于主反應(yīng)區(qū)以補(bǔ)償反應(yīng)源的沿程損失的效果圖；圖4是將圖1中所示氣體墻應(yīng)用于在不希望發(fā)生寄生沉積區(qū)域的效果圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及一較佳實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細(xì)說明。如圖1-2所示，該用于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的氣體墻結(jié)構(gòu)，包括外管2和內(nèi)管，內(nèi) 管設(shè)置在外管內(nèi)腔中，且內(nèi)管外壁和外管內(nèi)壁之間留有均勻間隙，該間隙與設(shè)置在外管上 的進(jìn)氣口 1連通。上述內(nèi)管包括若干內(nèi)部單元管3，相鄰兩個內(nèi)部單元管按照首尾相接的方式依次 排布，且每一內(nèi)部單元管3首端部沿周向均勻設(shè)置若干條狀或帶狀的進(jìn)氣縫隙4，尾端部設(shè) 置環(huán)形延伸壁7，且進(jìn)氣縫隙4與延伸壁7之間的管體內(nèi)壁上設(shè)置環(huán)形導(dǎo)流壁6。在任一內(nèi) 部單元管尾端部和與之相鄰的另一內(nèi)部單元管的首端部固定連接后，該任一內(nèi)部單元管的 延伸壁7尾端部蓋過該另一內(nèi)部單元管的進(jìn)氣縫隙4，從而形成連通內(nèi)管內(nèi)腔和上述均勻 間隙的氣流通道，但該任一內(nèi)部單元管的延伸壁7尾端未延伸到該另一內(nèi)部單元管的導(dǎo)流 壁6的起始端處。上述導(dǎo)流壁6為設(shè)置在內(nèi)管內(nèi)壁上的環(huán)形傾斜面，該傾斜面自其靠近進(jìn) 氣縫隙4的一端起向內(nèi)管中心處傾斜。上述每一內(nèi)部單元管3的首端部設(shè)置內(nèi)螺紋5，尾端部設(shè)置外螺紋8，相鄰兩個內(nèi) 部單元管3的首端部與尾端部以上述內(nèi)螺紋5和外螺紋8相互嚙合組接。上述外管采用整體管道，上述進(jìn)氣口 1可為一個或多個，當(dāng)采用一個進(jìn)氣口時，應(yīng) 將其布置在外管的中部，但若該進(jìn)氣口布置在外管的一側(cè)時，則外管應(yīng)為變徑結(jié)構(gòu)，具體為 沿流動氣流運(yùn)行方向，逐漸減小外管與內(nèi)部管之間的流道截面積，增加遠(yuǎn)離進(jìn)口管的出氣 速度，來使氣流進(jìn)入各進(jìn)氣夾縫4的速度保持一致。 上述內(nèi)部單元管亦可采用一體設(shè)置的結(jié)構(gòu)，即，令內(nèi)管為一整體管道結(jié)構(gòu)。上述外 管2和內(nèi)部單元管3可以是圓柱形、多邊形或其他任何適宜形狀，其材質(zhì)可采用不銹鋼、石 英、陶瓷或其他材料。
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本實(shí)施例的氣體墻若應(yīng)用在主反應(yīng)區(qū)，則可以看到越靠近氣流下游，補(bǔ)充的反應(yīng) 源濃度越大，即擴(kuò)散到主反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)源更多，此正好與CVD反應(yīng)器中的沿程損耗導(dǎo)致的 越往下游反應(yīng)源濃度越低互補(bǔ)(如圖3所示)；而若應(yīng)用在不希望發(fā)生寄生沉積的區(qū)域，則 還可看到貼近壁面有一股氣流在運(yùn)行，它能阻止反應(yīng)產(chǎn)物向近壁面區(qū)域擴(kuò)散，防止了壁面 寄生沉積的發(fā)生，同時不影響主流反應(yīng)氣體的原有運(yùn)行軌道(如圖4所示)。需要指出的是，上述較佳實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于 讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù) 范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的氣體墻結(jié)構(gòu)，其特征在于所述氣體墻結(jié)構(gòu)包括外管(2)和內(nèi)管，內(nèi)管設(shè)置在外管內(nèi)腔中，且內(nèi)管外壁和外管內(nèi)壁之間留有均勻間隙，該間隙與設(shè)置在外管上的一個以上進(jìn)氣口(1)連通，所述內(nèi)管上沿軸向還分布復(fù)數(shù)個連通內(nèi)管內(nèi)腔和所述均勻間隙的氣隙結(jié)構(gòu)；其中，每一氣隙結(jié)構(gòu)包括沿周向均勻分布的兩個以上進(jìn)氣縫隙(4)、一環(huán)形延伸壁(7)和一環(huán)形導(dǎo)流壁(6)，所述延伸壁(7)和導(dǎo)流壁(6)沿進(jìn)入該氣隙結(jié)構(gòu)的氣流運(yùn)動方向依次分布在內(nèi)管內(nèi)腔中，所述延伸壁(7)一端固定在內(nèi)管內(nèi)壁上，另一端蓋過進(jìn)氣縫隙(4)，并與進(jìn)氣縫隙(4)、內(nèi)管內(nèi)壁共同構(gòu)成氣流通道，所述導(dǎo)流壁(6)為設(shè)置在內(nèi)管內(nèi)壁上的環(huán)形傾斜面，該傾斜面自其靠近進(jìn)氣縫隙(4)的一端起向內(nèi)管中心處傾斜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的氣體墻結(jié)構(gòu)，其特征在于所述 延伸壁(7)另一端位于進(jìn)氣縫隙(4)和導(dǎo)流壁(6)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的氣體墻結(jié)構(gòu)，其特征在于所述 進(jìn)氣口(1)為一個，其設(shè)置在外管(2)的中部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的氣體墻結(jié)構(gòu)，其特征在于所述 進(jìn)氣口(1)為兩個以上，其均勻分布在外管(2)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的氣體墻結(jié)構(gòu)，其特征在于所述 進(jìn)氣口(1)為一個，其設(shè)置在外管(2)的一側(cè)，且沿氣流運(yùn)行方向，外管與內(nèi)管之間的間隙 逐漸減小。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的氣體墻結(jié)構(gòu)，其特征在于所述 內(nèi)管包括復(fù)數(shù)個內(nèi)部單元管(3)，相鄰兩個內(nèi)部單元管按照首尾相接的方式依次排布，且每 一內(nèi)部單元管(3)首端部沿周向均勻設(shè)置二個以上進(jìn)氣縫隙(4)，尾端部設(shè)置延伸壁(7)， 且進(jìn)氣縫隙(4)與延伸壁之間的管體內(nèi)壁上設(shè)置導(dǎo)流壁(6)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的氣體墻結(jié)構(gòu)，其特征在于所述 每一內(nèi)部單元管(3)的首端部設(shè)置內(nèi)螺紋(5)，尾端部設(shè)置外螺紋(8)，相鄰兩個內(nèi)部單元 管(3)的首端部與尾端部以所述內(nèi)螺紋(5)和外螺紋(8)固定組接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的用于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的氣體墻結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述的進(jìn)氣縫隙(4)為條狀或帶狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的氣體墻結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置于外管內(nèi)腔中的內(nèi)管，內(nèi)、外管之間留有均勻間隙，該間隙與設(shè)置在外管上的進(jìn)氣口連通，內(nèi)管上沿軸向分布多個連通內(nèi)管內(nèi)腔和上述均勻間隙的氣隙結(jié)構(gòu)，其中每一氣隙結(jié)構(gòu)包括沿周向均勻分布的多個進(jìn)氣縫隙、一延伸壁和一導(dǎo)流壁，延伸壁和導(dǎo)流壁沿進(jìn)入該氣隙結(jié)構(gòu)的氣流運(yùn)動方向依次分布在內(nèi)管內(nèi)腔中，延伸壁一端固定在內(nèi)管內(nèi)壁上，另一端蓋過進(jìn)氣縫隙，導(dǎo)流壁為設(shè)置在內(nèi)管內(nèi)壁上的傾斜面。本發(fā)明藉設(shè)于一系列交錯相連的壁面之間的進(jìn)氣縫隙，令由進(jìn)氣縫隙進(jìn)入的氣體在壁面內(nèi)側(cè)形成氣體墻，從而補(bǔ)償反應(yīng)源的沿程損失或者防止壁面的寄生沉積。本發(fā)明可應(yīng)用在化學(xué)氣相沉積設(shè)備中的不同位置。
文檔編號C23C16/455GK101956182SQ20101029633
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者張永紅, 朱建軍, 王國斌, 邱凱 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所