[发明专利]一种MOCVD设备的双层进气喷头装置

说明书

技术领域

本发明涉及MOCVD设备进气喷头装置，尤其是涉及一种具有双层进气以及预混合特征的MOCVD设备的双层进气喷头装置。

背景技术

金属有机化学气相沉积设备（MOCVD）是目前制备半导体材料的一个重要设备，尤其在制备超晶格、量子阱等方面具有明显的优势，在光电子产业已用于大规模生产。MOCVD在生长材料时，需要将不同的反应气体通过不同的管道送入反应室。为了保证气流场的均匀性，要求气体高速流过喷孔，一般速度为3m/s，而喷孔到衬底的距离一般控制在10mm到20mm之间。在这种情况下，两种气体喷出后，在没有充分混合之前就已经到达衬底的表面，因此对材料生长的速度、结晶质量以及原材料利用率均有不利影响。为了解决这一问题，通常有以下几种方法：第一种方法是加大喷孔到衬底的距离来使不同气体之间有时间充分混合，然而如此一来，就会影响气流场的稳定，很可能形成湍流；另外，喷孔和衬底的距离加大则意味着气体在高温区运行的时间加长，这样就大大增加了气体间的预反应，从而对生长带来负面影响；第二种方法是缩小两种喷孔间距，使两种气体横向扩散更加容易，从而达到混合均匀的目的，然而目前打孔的技术限制了孔间距不可能很近（目前一般为5mm），所以也很难实现。显而易见，气体混合和气体间的预反应是一对矛盾，当气体混合均匀时，气体间的预反应大，当气体间的预反应小时，则气体很难混合均匀。因此，提高MOCVD生长材料的晶体质量和原材料利用率，必须解决这一对矛盾。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够将不同反应气体分别送入反应室、使不同反应气体到达衬底就已经能充分混合、预反应小的MOCVD设备的进气喷头装置，它克服了MOCVD生长中气体混合和预反应之间的矛盾关系。

本发明的目的是这样实现的：

一种MOCVD设备的进气喷头装置，包括一个由顶板、侧壁以和底板组成的封闭型外壳，封闭型外壳的内部被上中层板和下中层板分成三个部分，分别为上进气腔、下进气腔以及水冷腔，在上进气腔对应的侧壁上安装有负责将一种类型的反应气体输运到上进气腔内的上进气管，在下进气腔对应的侧壁上安装有负责将另一种类型的反应气体输运到下进气腔内的下进气管，在水冷腔两端对应的侧壁上分别安装有冷却水进水管和冷却水出水管，特征是：在下进气腔与反应室之间安装有将下进气腔与反应室连通的下出气管，在上进气腔和下出气管之间安装有将上进气腔和下出气管连通的上出气管，上出气管的外径小于下出气管的内径，且上出气管的下端伸入到下出气管内，但不能缩到下进气腔内，上出气管与下出气管之间设有间隙。

上出气管的下端伸入到下出气管内，且上出气管的出口到下出气管的出口的距离h为2--30mm。

下出气管的出口到衬底的距离设为10-20mm。

一种类型的反应气体从上进气管进入上进气腔中，另一种类型的反应气体从下进气管进入下进气腔中，上进气腔内的反应气体经由上出气管送出，并进入下出气管内与下出气管内的另一种来自于下进气腔的反应气体混合，然后混合气体经由下出气管送入反应室并到达衬底表面，冷却水通过冷却水进水管进入水冷腔，带走由反应室传导到底板、上出气管和下出气管的热量，然后从冷却水出水管流出。

本发明中的两种不同种类的反应气体通过上进气管、下进气管分别通入到上进气腔和下进气腔中，然后上进气腔中的一种类型的反应气体通过上出气管进入到下出气管中，另一种类型的反应气体从下进气腔中进入下出气管中，两种类型的反应气体在进入反应室前在上出气管的出口与下出气管出口之间的空间进行预混合，预混合完毕后再送入反应室，从而使不同反应气体到达衬底就已经能充分混合。由于位于内部的上出气管的外径小于位于外部的下出气管的内径，并留有一定的间隙，这样就可以使下进气腔的反应气体能够从下出气管内通过；上出气管的出口伸入到下出气管内一定的距离h，这样，当上出气管中的气体流出上出气管就会与下出气管内的气体进行混合，然后才通过下出气管进入反应室内，这非常有助于两种类型的反应气体的混合。另外，在下进气腔和反应室之间有水冷腔，冷却水从冷却水进水管进入水冷腔，带走反应室传到底板和上出气管、下出气管的热量，然后从冷却水出水管流出。水冷腔能够使上出气管、下出气管保持较低的温度（一般为50-80℃），在这样的温度下，反应气体不容易发生预反应；再将喷头与衬底间的距离设计到10-20mm，将很好的抑制气体在反应室内的预反应。因此，本发明所提供的喷头结构可很好地克服气体混合和预反应之间的矛盾。