专利名称：用于均匀出气的气体分配器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于化学气相淀积设备的进气段的气体分配装置，特别涉及一 种用于均勻出气的气体分配器。
背景技术：
用化学气相淀积(简称CVD)方法淀积薄膜材料，通常需要各种原材料和载入气 体，原材料包括参与化学反应并形成薄膜产物的原料成分(通常也为气体形态)；载气包括 各种携带原材料的气体，如氢气、氮气等，这些载气只载入原材料进入反应室，本身并不参 与化学反应。薄膜制备的重要指标之一就是其厚度、掺杂浓度和组分的均勻性。要生长出厚度、 掺杂浓度和组分均勻的薄膜材料，根据CVD技术的反应机理可以知必须在基片上方提供 一个厚度薄而均勻的反应物浓度边界层，使足够量的反应粒子能够通过扩散，源源不断地 到达基片表面各点。因为在生长过程中只有输运到基片各部位的反应粒子及掺杂粒子速率 都相等时，才能满足薄膜的组分、浓度和厚度均勻性的要求。反应物浓度边界层强烈地受气 体流动的影响，因此若要获得厚度薄而均勻的浓度边界层，前提条件就是基片上方要维持 一个厚度薄而均勻的速度边界层。这就严格要求到达基片上方的反应物的速度必须均勻一 致，速度边界层的流场应保持为均勻平行层流，避免任何波动、湍流和对流涡旋。为保证上述稳定的边界层厚度，人们设计了不同的CVD反应器。根据进入反应器 的反应气体和载气组成的气流相对于基片的流动方向，可以把CVD反应器分为两大类主 气流平行于基片方向的水平式反应器和主气流垂直于基片方向的垂直式反应器。在水平式反应器中，反应气体从基片一侧流向另一侧，这种反应器结构简单，但是 存在严重的反应物耗尽和热对流涡旋等问题，容易造成薄膜厚度的前后不均勻性，需要用 复杂的方法加以克服。在垂直式反应器中，气体从基片的上方进入并折转90度横穿基片，然后从反应器 侧面或底部排出。当基片高速旋转时，流体的粘性力产生一种泵效应，由于粘性的作用，靠 近基片表面的一层气体随同转盘一起转动，在离心力的作用下，气体不断地沿径向被抛向 基片的外缘。与此同时，基片上方的气体沿轴向注入基片表面以补充失去的气体。这种泵 效应能够抵消热对流产生的涡旋，得到基片上方均勻的边界层厚度，从而使基片上方各点 得到较均勻的反应物浓度供给。垂直式反应器的改进形式是垂直喷淋式反应器，反应气体 通过托盘上方许多密排的小喷管直接喷向基片，从而使到达基片上方各点的反应气体浓度 基本相同。反应气体再通过浓度扩散穿过边界层到达基片表面。利用旋转能够得到基片上 方较均勻的边界层厚度，从获得较高质量的薄膜生长。由于从基片正上方喷入的反应气体 都必须流到托盘边缘，再由排布在反应器侧面或下部的出口排出，在托盘中心处喷入的反 应气体和在托盘边缘处的反应气体流经的距离明显不同。中心处的生成物尾气不能及时排 出，导致基片沿径向的厚度和掺杂浓度仍存在不均勻。随着大规模生产的发展，人们迫切需要增加CVD设备的装片量来降低生产成本，这就要求CVD反应器增加每次装片的容量来适应这种发展趋势。然而，从CVD技术的特点 来看，反应器的装片容量不可能无限地增加。对尤其是对于传统垂直式反应器和垂直喷淋 式反应器来说，只有扩大装片基座的直径才能满足装片量增加的要求，但气体是从中心位 置进入反应室的，这就造成了沿径向分布的不均勻越来越严重，而且增大直径后均勻温度 场的设计要求也增加许多，从而造成CVD反应器气流场和温度场分布不均勻，难以满足薄 膜生长的需求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于均勻出气的气体分配器，其可为反应室提供均勻 一致的进气，保证化学气相淀积设备进气的均勻性和一致性，利于薄膜的均勻生长，从而克 服现有技术中的不足。为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案一种用于均勻出气的气体分配器，其特征在于所述气体分配器包括相互连通的 至少一路进气管和二个以上密闭气体分配腔，所述进气管和气体分配腔沿气流运行方向依 次固定连接，相邻两个气体分配腔之间藉一连接壁相互间隔，且所述连接壁面上分布一个 以上配气孔。进一步地讲所述相邻两个气体分配腔之间通过复数个焊点相互焊接固定。所述配气孔的孔径小于进气管的管径。同一连接壁面上分布有复数个孔径相同的配气孔，而分布在任意两个连接壁面上 的配气孔孔径相异。分布在同一连接壁面上的复数个配气孔和分布在相邻连接壁面的复数个配气孔 在气流运行方向上呈交错分布状态。各连接壁上的配气孔孔径沿气流运行方向依次减小。所述各气体分配腔的长度沿气流运行方向依次减小。所述进气管和气体分配腔沿水平方向依次排布。所述进气管和气体分配腔按由下到上的顺序沿竖直方向依次排布。所述气体分配腔具有环形或多边形横截面。考虑到现有技术中的诸多不足，本案发明人经长期研究和实践，利用流体在管道 中流动时遇壁均化及在不同管腔内管阻不同的特性，将复杂的流体分布问题转换成机械加 工问题，并通过简单机械加工的方法得到本发明的气体分配器，从而解决了 CVD反应器进 气分布不均勻的问题，进而保证了薄膜生长的均勻性。该气体分配器的工作原理如下反应气体和载气通过进气管进入第一层气体分配腔中，并经分布在用于分隔第 一、二层气体分配腔的第一连接壁面上的若干配气孔通向第二层气体分配腔；优选的，上述 配气孔的孔径小于进气管管径，以增大出口管阻，抑制气体从近进口区域流出；进一步地， 沿着气流运行方向，各层分配腔的长度逐渐减小，即，第一层分配腔的长度在各分配腔中是 最大的，增大流道截面积，目的是较小流道内的流动管阻，使气流更快的从近进口区域扩展 至远进口区域；经上述过程，即完成一次均勻化。第二层气体分配腔通过若干焊点与第一层 气体分配腔焊接在一起，在用于分隔第二、三层气体分配腔的第二连接壁面上也分布有若干配气孔，优选的，该等配气孔的孔径小于第二连接壁面上的配气孔孔径，以再次增大出口 管阻；分布于第一、二连接壁面上的配气孔可根据实际应用的需要沿气流运行方向相对设 置或错位设置，但目的均在于通过流体的遇壁扩散效应，使进入下一层气体分配腔的气流 分布更加均勻；后续各气体分配腔、各连接壁上的配气孔可参照上述结构设置；如此反复， 经过多层气体分配腔后(层数越多均勻度越高)，气体分配器中的反应气体和载气通过配气孔直接或间 接的输运到基片上方。以此保证到达样品表面的气体流速的一致，从而在样品表面形成均 一的边界层，保证了生长的薄膜均勻性。与现有技术相比，本发明的有益效果在于该气体分配器结构简单，易于加工，便 于组装维护，成本低廉，并可为反应室提供均勻一致的进气，保证化学气相淀积设备进气的 均勻性和一致性，利于薄膜的均勻生长。
图1是实施例1中用于均勻出气的气体分配器的结构示意图；图2是实施例2中用于均勻出气的气体分配器的结构示意图；图3是采用实施例1的气体分配均勻性测试图。
具体实施例方式以下结合附图及具体实施例对本发明的技术方案作详细说明。实施例1该均勻出气的气体分配器主要应用在金属有机化学气相沉积的反应器 中，其结构如图1所示，即，由一根1/4标准进气管1和三层气体分配腔2、3、4垂直焊接组 成，相邻气体分配腔之间设置有若干焊点5。上述各气体分配腔的内切圆半径均为150mm， 且第一 三层气体分配腔2、3、4的腔体高度分别为20mm、15mm、10mm。设置于第一、二层气 体分配腔2、3之间的第一层连接壁面上均勻分布20个配气孔6，孔径为4mm ；设置于第二、 三层气体分配腔之间的第二层连接壁面上均勻分布30个配气孔7，孔径2mm ；第三层连接壁 面上50个配气孔8，孔径1mm。在气流运行方向上，第一、二、三层连接壁面上的配气孔依次 交错排列。藉本实施例的气体分配器得到了如图3所示的气体分配，图中箭头大小表示气流 的速度大小、箭头方向表示速度方向，速度标度见图左侧所示，单位为m/s。一股进气流经过 该气体分配器后，在整个进气环面上所测得的气体流速分配的不均勻性小于0. 48%，保证 了大区域范围内喷射到每个基片上的反应气体的高度均勻性，满足了材料生长的稳定性要 求。实施例2如图2所示，本实施例均勻出气的气体分配器的结构与实施例1类似，但 其主要由一根进气管1和三层气体分配腔2、3、4沿水平方向焊接组成，相邻气体分配腔之 间设置有若干焊点5。上述各气体分配腔的口径一致，但第一 三层气体分配腔2、3、4的 腔体长度依次减小。设置于第一、二层气体分配腔2、3之间的第一层连接壁面上分布若干 配气孔6 ；设置于第二、三层气体分配腔之间的第二层连接壁面上分布若干配气孔7 ；第三 层连接壁面上分布若干配气孔8 ；且配气孔6 8的孔径依次减小。并且，在气流运行方向 上，第一、二、三层连接壁面上的配气孔6、7、8依次交错排列。同样的，该气体分配器可保证大区域范围内喷射到每个基片上的反应气体的高度均勻性，满足材料生长的稳定性要求。需要说明的是，上述气体分配器可由金属材料(如不锈钢、钨钼等)或其它非金属 材料制成；上述进气管可为一路或多路；上述气体分配腔的形状可以是环形、多边形或其 他任何合适形态；上述配气孔可为圆形、矩形或其它任何合适形状；在同一层连接壁面上 的配气孔的分布位置可以是均勻分布的，也可以是不均勻分布的，且配气孔的数量密度是 可调的。因此，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技 术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据 本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种用于均匀出气的气体分配器，其特征在于所述气体分配器包括相互连通的至少一路进气管和二个以上密闭气体分配腔，所述进气管和气体分配腔沿气流运行方向依次固定连接，相邻两个气体分配腔之间藉一连接壁相互间隔，且所述连接壁面上分布一个以上配气孔。
2.根据权利要求1所述的用于均勻出气的气体分配器，其特征在于所述相邻两个气 体分配腔之间通过复数个焊点相互焊接固定。
3.根据权利要求1所述的用于均勻出气的气体分配器，其特征在于所述配气孔的孔 径小于进气管的管径。
4.根据权利要求1所述的用于均勻出气的气体分配器，其特征在于同一连接壁面上 分布有复数个孔径相同的配气孔，而分布在任意两个连接壁面上的配气孔孔径相异。
5.根据权利要求4所述的用于均勻出气的气体分配器，其特征在于分布在同一连接 壁面上的复数个配气孔和分布在相邻连接壁面的复数个配气孔在气流运行方向上呈交错 分布状态。
6.根据权利要求4所述的用于均勻出气的气体分配器，其特征在于各连接壁上的配 气孔孔径沿气流运行方向依次减小。
7.根据权利要求1所述的用于均勻出气的气体分配器，其特征在于所述各气体分配 腔的长度沿气流运行方向依次减小。
8.根据权利要求1所述的用于均勻出气的气体分配器，其特征在于所述进气管和气 体分配腔沿水平方向依次排布。
9.根据权利要求1所述的用于均勻出气的气体分配器，其特征在于所述进气管和气 体分配腔按由下到上的顺序沿竖直方向依次排布。
10.根据权利要求1所述的用于均勻出气的气体分配器，其特征在于所述气体分配腔 具有环形或多边形横截面。
全文摘要
本发明涉及一种用于均匀出气的气体分配器，其一般设置在化学气相淀积设备上的进气段，用来为反应室提供均匀一致的进气。该气体分配器包括相互连通的至少一路进气管和二个以上密闭气体分配腔，所述进气管和气体分配腔沿气流运行方向依次固定连接，相邻两个气体分配腔之间藉一连接壁相互间隔，且所述连接壁面上分布一个以上配气孔。通过调整各体分配腔的高度或长度、各连接壁面上配气孔的排布位置和孔径大小，可使最终的出气流速相等。本发明结构简单，易于加工，便于组装维护，成本低廉，可为反应室提供均匀一致的进气，保证化学气相淀积设备进气的均匀性和一致性，利于薄膜的均匀生长。
文档编号C23C16/455GK101949007SQ20101029627
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月29日 优先权日2010年9月29日
发明者张永红, 朱建军, 王国斌, 邱凯 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所