[发明专利]一种实现MOCVD喷淋均匀性的装置及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种MOCVD技术，尤其是一种实现MOCVD喷淋均匀性的装置及应用。

背景技术

“均匀性”是金属有机物化学气相沉积(Metal-Organic  Chemical Vapor Deposition简称MOCVD)系统核心技术指标之一，均匀性控制直接关系到材料外延生长质量的优劣，它包括流速均匀、组份均匀、温度均匀三个方面：

“流速均匀性”要求在端盖喷射面上喷射气体的流速具有较好的一致性，这就要求气体在到达喷射面前，在喷淋头内部就已经形成单向、均匀、稳定的流场。

“组份均匀性”要求向反应室内喷射的各种组份混合均匀，但通常反应室内部流场环境会导致组份的波动，因此控制喷淋头输运气体的温度与组份非常关键，要求反应气体在到达基片前尽量不发生反应，而到达基片后能够混合均匀，并发生化学反应。

“温度均匀性”要求反应气体在到达基片前，在反应室内部同一高度水平面保持温度均匀，这样才能保证不同基片的外延生长环境几乎相同，同时，基于抑制寄生反应的考虑，要控制腔室内温场的梯度分布，尽可能形成薄的热边界层。

以上三种均匀性指标相互牵连，相互制约，若流速不一致，进入反应室后等体积的组份不可能很均匀；而温度不均匀则可能导致局部区域寄生反应弱，而其他区域寄生反应强，在到达衬底同一高度的平面内，气体组份不但不均匀，而且还衍生出其他物质。

综上分析不难看出，MOCVD喷淋头装置的结构设计必须紧扣“三个均匀性”指标的实现。因此，主流MOCVD设备的开发商无不在喷淋头装置的结构设计上持续改进，不断升级。而每一代新产品的出现很大程度上都围绕提高“三个均匀性”指标提出的。中国专利文献CN201099698Y公开的“三重气流金属有机物气相沉积设备反应腔体”提出的“穿管分层焊接、均匀分布”的方法(见图1所示)，从根本上解决了A族与B族气体的相互隔离，且较好的实现了流速与组份的均匀性；独立连续的水冷层为两种气体的均匀冷却提供了最优的解决方案。但由于这种穿管熔焊技术只有少数加工商能够完成，价格极其昂贵，严重阻碍了国内该技术对MOCVD开发应用的推广。

此外，中国专利文献CN101122012A公开的《用于金属有机物化学气相淀积设备的大面积梳状喷淋头》(见图2)，介绍了一种大面积梳状形式的喷淋头，可实现A族与B族气体分别从喷淋头整体结构两侧独立送气，并在反应腔衬底方均匀喷射，其实现的方法：采用总管进气，支管送气，两类气源支管交错排列，并在同侧加工均匀布置的喷淋孔。该结构尽管实现独立送气，但气体从总管接口到达每个支管末端一定存在压力不均，使得从各支管小孔喷出气体的流速不均，影响流场的均匀性，另外，该结构很难增加独立的水冷层，因此未知其如何解决温度均匀这一问题。

发明内容

本发明的目的：旨在实现“三个均匀性”目标，提出一种既能理想地实现MOCVD喷淋均匀性的装置和装置，同时也克服现有技术中存在的结构复杂、加工难度大、使用效果难以保持稳定的缺陷。

这种实现MOCVD喷淋均匀性的装置，其特征在于：其特征在于：通过微孔设计布局在喷淋头中构建分别用于同时输送A族气体、B族气体和冷却水三种流体的两层或三层独立空间孔道，使每一层独立空间孔道延伸至喷淋头体表面构成与外部供气源和冷却水分别连接的接口；同时，通过分别设计在A族气体输送孔道和B族气体输送孔道内底部设置的通达喷淋头底面的微孔通道，构成能充分实现“流速均匀”、“组分均匀”、“温度均匀”的MOCVD喷淋出口的喷射面。

所述的A族气体输送孔道、B族气体输送孔道呈平行、间隔状态设于喷淋头的上部块体内，所述的冷却水输送孔道设于喷淋头下部块体内，构成水平+水平上层进气、下层过水的两层结构模式；同时，将所述的冷却水输送孔道穿插设置在所述A族气体输送孔道、B族气体输送孔道向下延伸的每相邻两组微孔通道之间，实现对相邻微孔通道内的过流气体的温度调控。

所述的B族气体输送孔道呈平行状态设于喷淋头的上部块体内，所述的冷却水输送孔道设于喷淋头下部块体内，并且所述的A族气体输送孔道直接贯穿喷淋头块体上下，构成一种“垂直+水平”进气和水平进水结构模式。