专利名称：大直径mocvd反应器的喷淋头的制作方法
技术领域：
本发明涉及输送气体的喷淋装置，尤其涉及MOCVD反应器的喷淋头，包括流通III族气体的III族腔、流通V族气体的V族腔以及流通冷却水的冷却水腔。
背景技术：
MOCVD 是金属有机化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)的英文缩写，为一种非平衡态生长技术，它依赖于先驱物的蒸汽运输和加热区中III族烷基类和V族氢化物的后续反应，将生长气体和掺杂物提供给反应器并将其沉积在衬底表面。
·
MOCVD反应器中使用的常规喷淋头，诸如Thomas Swan Scientific EquipmentLimited所提供的，具有三腔的“三明治”结构，III族气体经配流管道、III族腔流入反应腔体，V族气体经V族腔流入反应腔体，最下面一层是冷却水腔。随着LED产业的迅速发展，竞争的加剧，市场非常迫切地提出高产量MOCVD的需求；M0CVD的核心部分是反应器，扩大反应器的直径是提高产量的快速而又有效的方法。如果单纯地扩大常规喷淋头的直径，将会碰到下列几个问题第一、喷淋头加工、制造难度急剧增大，并且会伴随着良率的下降；第二、喷淋头的冷却会遇到更大的困难；第三、III族气体在腔体直径方向浓度分布会面临更大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大直径MOCVD反应器的喷淋头，该喷淋头即使直径增加了，加工难度也不会明显增加。为实现所述目的的大直径MOCVD反应器的喷淋头，包括III族腔、V族腔以及冷却水腔，其特点是，III族腔、V族腔以及冷却水腔均分隔为N个腔体，N是大于等于2的自然数，每腔体均为一单体。由于将III族腔、V族腔以及冷却水腔分隔为各自独立的至少两个腔体。因此大大地减小了单体的加工面积，即使MOCVD反应器具有大直径，喷淋头加工、制造难度也不会有明显增加，并且由于III族腔、V族腔、冷却水腔分割为至少两个腔体，这样在使用过程中如果部分腔体出现泄漏，可以仅替换该部分腔体，无需整体进行替换，方便维护，减少维护成本。 所述的喷淋头，其进一步的特点是，冷却水腔的各个腔体的进水部位于各个腔体的内侧中心，且出水部位于各个腔体的外周位置。冷却水由内侧中心进水，外周出水，减小的冷却水路径，有利于提高冷效果。所述的喷淋头，其进一步的特点是，在喷淋头的正中间，通入一根V气体的管道至喷淋头下方的反应腔。在喷淋头的正中间，通入一根V气体的管道，可以改善V气体的浓度分布，并改善气体的流态。所述的喷淋头，其进一步的特点是，III族腔的各腔体通过一块配流孔板分成上、下两个腔，上、下两个腔通过配流孔板上的孔相通。III族腔通过配流孔板分成上下两个腔，利用配流孔板上的小孔布局的不同，改变III族气体在直径方向的浓度分布。所述的喷淋头，其进一步的特点是，所述N个腔体为四个等分的腔体。四个等分的腔体相对于单个的腔体的尺寸大大减小，即使MOCVD反应器具有大直径，喷淋头加工、制造难度也不会有明显增加。所述的喷淋头，其进一步的特点是，III族腔、V族腔以及冷却水腔为圆形，每一该 腔体为扇形。所述的喷淋头，其进一步的特点是，包括顶部组件和喷淋组件，顶部组件包括上盖板，上盖板提供有所述III族腔，上盖板上形成有III族气体进入通道，该III族气体进入通道与所述III族腔的上腔连通；喷淋组件包括N个喷淋单元，各喷淋单元包括上孔板、中间孔板、下孔板、圈围侧壁、上毛细管组以及下毛细管组，上孔板、中间孔板以及环绕上孔板、中间孔板的圈围侧壁围成所述V族腔的一个腔体，圈围侧壁上形成有通往V族腔的该腔体的V族气体进入通道，中间孔板、下孔板以及环绕中间孔板、下孔板的圈围侧壁围成所述冷却水腔的一个腔体，上毛细管组的各管穿设在上孔板、中间孔板、下孔板的孔中，下毛细管组的各管穿设在中间孔板、下孔板的孔中，V族腔和冷却水腔不相通，下毛细管组将V族腔和喷淋头下方的反应腔导通；喷淋组件位于顶部组件的下方，上毛细管组的各管将下III族腔与喷淋头下方的反应腔导通；上毛细管组和下毛细管组交错布置。所述的喷淋头，其进一步的特点是，喷淋组件的外围环绕有冷却水环。所述的喷淋头，其进一步的特点是，还包括用于分配冷却水的配流管，各冷却水腔的各个腔体的进水部位于各个腔体的内侧中心，且出水部位于各个腔体的外周位置，各进水部通过进水管连接至同一该配流管。喷淋头的进一步的特点中，喷淋组件的喷淋单元、顶部组件的配流孔板各由多个独立部分组成，大大地减小了单体的加工面积，因此即使应用在大直径MOCVD反应器中，喷淋头的加工、制造难度也不会有明显的增加，并且冷却也是分成四个等分分别进行，喷淋头的冷却会也不是什么大的问题，也正是由于分成四个等分，在保证了 III、V族气体混合均勻，并且还可适当地增大各个孔板的孔内径和孔间距，也有利于降低加工、制造的难度，提闻广品的良率。本发明的前述各特点、优点将在后面结合附图进行示例性的说明。
图I是根据本发明的喷淋头的分解视图；图2是根据本发明的喷淋头的轴侧图；图3是根据本发明的喷淋头的主视图；图4是根据本发明的喷淋头的俯视图；图5是根据本发明的喷淋头的仰视6是图5的A-A剖面图7是图6中B处的局部视图；图8是图6中C处的局部视图；图9是根据本发明的喷淋头的顶部组件的分解视图；图10是根据本发明的喷淋头的顶部组件的轴侧图；图11是图10的仰视图；图12是图11的A-A剖面图；图13是图12中D处的局部视图；
图14是根据本发明的喷淋头的冷却水环的轴侧图；图15是图14的俯视图；图16是根据本发明的喷淋头的喷淋组件的分解图；图17是根据本发明的喷淋头的喷淋组件的轴侧图；图18是图17的俯视图；图19是图18的A-A剖面图；图20是图19中B处的局部视图；图21是图17的俯视图；图22是图20的B-B剖面图；图23是图10的俯视图；图24是图23的C-C剖面图；图25是图24中D处的局部视图。
具体实施例方式图I到25示出了本发明一实施例的喷淋头，可以使用在大直径MOCVD反应器上。如图I所示，本发明的一实施例中，喷淋头包括顶部组件I、冷却水环2、喷淋组件
3。下面先就顶部组件I、冷却水环2、喷淋组件3分别进行说明，然后再就喷淋头的整体构造进行描述。如图9、图10、图11所示，顶部组件I包括上盖板11和配流孔板12，配流孔板12可拆卸地连接在上盖板11上。配流孔板12包括4块等分的孔板121，四个孔板121为相同结构，下面就一个孔板121的说明也适用于其他三个孔板121。配流孔板12整体呈圆形，各孔板121单独地可拆卸地安装在上盖板11上。如图12和图13所示，孔板121放置在上盖板11的一腔体上，并将该腔体分隔为上腔体13和下腔体14，在本发明的一实施例中，孔板121安装在上盖板11的沉孔内，该沉孔的环形侧壁为台阶形状，孔板121放置在沉孔的侧壁的轴肩上，从而将该沉孔区分为上腔体13、下腔体14。在上腔体13的大致中心位置，上盖板11形成有III族气体进气孔15，III族气体进气孔15通往上腔体13，上腔体13和下腔体14通过孔板121上的孔相通。顶部组件I的下方即配流孔板12的下方为喷淋组件3，III族气体从上腔体13进入到下腔体14后，将由后面所述的上毛细管组17导引到反应腔，顶部组件I和喷淋组件3之间有密封垫片4。如图14和图15所示，冷却水环2具有环形的冷却水道23，冷却水道23相邻位置连接有冷却水进水管21和出水管22，冷却水从进水管21进入，流经冷却水道23后再从出水管22流出。
如图I所示，喷淋组件3由四个独立的喷淋单元构成，各喷淋单元为相同结构，各喷淋单元外形呈1/4圆的扇形，整个喷淋组件3的大致成圆形。如图16、图17所示，喷淋组件3的各喷淋单元包括上孔板31、中间孔板32、下孔板33、上毛细管组34、下毛细管组35、进水管36和出水管37。上孔板31，中间孔板32和上孔板31、中间孔板32之间的圈围侧壁形成V族腔38，供V族气体流入。中间孔板32，下孔板33以及中间孔板32，下孔板33之间的圈围侧壁形成冷却水腔39，在本发明的一实施例中，前述圈围侧壁330均是从下孔板33成一体地开始向上延伸形成，上孔板31、中间孔板32分别放置在圈围侧壁的轴肩上。如图20所示，上毛细管组34的各毛细管穿设在上、中间、下孔板31、32、33的孔中，以导引上孔板31上方的III族气体直接进入到下孔板33下方的反应腔中。如图25所示，下毛细管组35的各毛细管穿设在中间孔板32和下孔板33的孔中，以导引V族腔38内的气体进入到下孔板33下方的反应腔中，V族腔38和冷却水腔39不导通，冷却水腔39和下孔板33下方的反应腔也不导通。如图21和图22所示，冷却水的进水管36设置在喷淋单元的扇形中心，即通往冷却水腔39的扇形中心，两出水管37间隔设置在喷淋单元的圆周方向，即通往冷却水腔39的圆 周方向，进水管36、冷却水腔39均垂直设置在圈围侧壁330上。图22中的箭头图示了喷淋组件3冷却水的流通路径，冷却水从外部冷却水管道进入配流管9 (如图I所示)，配流管9连接各喷淋单元的进水管，均匀分配给4个喷淋组件，冷却水首先从进水管36中进入，在冷却水腔39的扇形中心开始朝圆周方向流动，然后从圆周方位出水管37输出。相对于冷却水从圆周方向进水的方案，前述实施例由于冷却水由中间进水，圆周出水，减小一半的冷却水路径，有利于提高冷效果。图24的箭头示出了 V族气体的流通路径，喷淋组件3的V族气体入口 331设置在圈围侧壁330上，即设置在V族腔38的圆周方向上，V族气体入口 331通往V族腔38，V族气体从V族气体管道6 (如图I所示)进入顶部组件I的上盖板11及下孔板33的圆周方向的通道10 (如图6、图8所示)，从圆周方向进入并充满V族腔38，然后通过下毛细管组35进入反应腔体。另外，如图6和图7所示，喷淋头正中间有一路V族气体从中间V族气体管道5通入反应腔体。如图I至图6所示，顶部组件I上方设置中心V族气体管道5、III族气体管道7、冷却水配流管道9、周向V族气体管道6，顶部组件I的下方设置冷却水环2和喷淋组件3，喷淋组件3位于冷却水环2的环内，在喷淋组件3和顶部组件I之间设置密封垫片4。周向V族气体管道6提供V族气体至喷淋组件3的V族气体腔，中心V族气体管道5提供沿整个喷淋头的中心提供V族气体至反应腔。喷淋头工作时，III族气体从III族气体管道7进入到顶部组件I的各个上腔体13，从上腔体13透过孔板121的孔进入到下腔体14，再从下腔体14透过上毛细管组34进入到反应腔，上毛细管组34的出口在反应腔的上方分布；同时V族气体同时进入到中心V族气体管道5和周向V族气体管道6，并从中心V族气体管道5进入到喷淋组件的V族腔38，从V族腔38透过下毛细管组35进入到反应腔，下毛细管组35的出口在反应腔的上方分布，并与上毛细管组34的出口交错分布，这样就有利于III、V族气体混合均匀，同时V族气体还从整个喷淋头的中心直接通往反应腔，这样可以改善V气体的浓度分布，并改善气体的流态；值得一提的是，顶部组件I的配流孔板12的孔的分布不同，例如越靠近III族气体进气孔15的孔密度就越低，而越离III族气体进气孔15的远的孔密度就越高，这样III族腔通过配流孔板分成上下两个腔，利用配流孔板上的小孔布局的不同，就改善了 III族气体在直径方向的浓度分布。喷淋组件3的冷却一方面通过配流管9进入的冷却水来冷却，另一方面通过冷却水环2来冷却。配流管9的冷却水均匀分为四等分，分别进入到各喷淋单元的冷却水进水管36，然后进入喷淋单元的冷却腔体39，冷却水从喷淋组件的中心朝圆周方向流动，从而对喷淋单元进行全面冷却，然后从冷却水出水管37流出，并经环形水管8汇流后流出整个喷淋头；由于冷却水是从喷淋组件的中间进水，圆周出水，相对于圆周进水，圆周出水等其他方案，减小一半的冷却水路径，有利于提高冷效果，从而有利于提高大直径MOCVD反应器的良率。还值得一提的是，在前述实施例中，喷淋头中，喷淋组件的喷淋单元、顶部组件的配流孔板各由相同等份，例如为四等份组成，大大地减小了单体的加工面积，因此即使应用在大直径MOCVD反应器中，喷淋头的加工、制造难度也不会有明显的增加，并且冷却也是分·成四个等分分别进行，喷淋头的冷却会也不是什么大的问题，也正是由于分成四个等分，在保证了 III、V族气体混合均匀，并且还可适当地增大各个孔板的孔内径和孔间距，也有利于降低加工、制造的难度，提闻广品的良率。虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，例如前述实施例虽然以四个等分的各个孔板为例进行说明，然而本发明的实施并不限于此，根据具体情况，各个孔板的区分可以是两个或两个以上的等分。因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
权利要求
1.大直径MOCVD反应器的喷淋头，包括III族腔、V族腔以及冷却水腔，其特征在于，III族腔、V族腔以及冷却水腔均分隔为N个腔体，N是大于等于2的自然数，每腔体均为一单体。
2.如权利要求I所述的喷淋头，其特征在于，冷却水腔的各个腔体的进水部位于各个腔体的内侧中心，且出水部位于各个腔体的外周位置。
3.如权利要求I所述的喷淋头，其特征在于，在喷淋头的正中间，通入一根V气体的管道至喷淋头下方的反应腔。
4.如权利要求I所述的喷淋头，其特征在于，III族腔的各腔体通过一块配流孔板分成上、下两个腔，上、下两个腔通过配流孔板上的孔相通。
5.如权利要求I所述的喷淋头，其特征在于，所述N个腔体为四个等分的腔体。
6.如权利要求I所述的喷淋头，其特征在于，III族腔、V族腔以及冷却水腔为圆形，II族腔、V族腔以及冷却水腔的各个腔体为扇形。
7.如权利要求4所述的喷淋头，其特征在于，包括顶部组件和喷淋组件，顶部组件包括上盖板，上盖板提供有所述III族腔，上盖板上形成有III族气体进入通道，该III族气体进入通道与所述III族腔的上腔连通；喷淋组件包括N个喷淋单元，各喷淋单元包括上孔板、中间孔板、下孔板、圈围侧壁、上毛细管组以及下毛细管组，上孔板、中间孔板以及环绕上孔板、中间孔板的圈围侧壁围成所述V族腔的一个腔体，圈围侧壁上形成有通往V族腔的该腔体的V族气体进入通道，中间孔板、下孔板以及环绕中间孔板、下孔板的圈围侧壁围成所述冷却水腔的一个腔体，上毛细管组的各管穿设在上孔板、中间孔板、下孔板的孔中，下毛细管组的各管穿设在中间孔板、下孔板的孔中，V族腔和冷却水腔不相通，下毛细管组将V族腔和喷淋头下方的反应腔导通；喷淋组件位于顶部组件的下方，上毛细管组的各管将下III族腔与喷淋头下方的反应腔导通；上毛细管组和下毛细管组交错布置。
8.如权利要求7所述的喷淋头，其特征在于，喷淋组件的外围环绕有冷却水环。
9.如权利要求7所述的喷淋头，其特征在于，还包括用于分配冷却水的配流管，各冷却水腔的各个腔体的进水部位于各个腔体的内侧中心，且出水部位于各个腔体的外周位置，各进水部通过进水管连接至同一该配流管。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种大直径MOCVD反应器的喷淋头，该喷淋头即使直径增加了，加工难度也不会明显增加。本发明的大直径MOCVD反应器的喷淋头包括III族腔、V族腔以及冷却水腔，其特征在于，III族腔、V族腔以及冷却水腔均分隔为N个腔体，N是大于等于2的自然数，每腔体均为一单体。
文档编号C23C16/455GK102953050SQ201110249030
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月26日 优先权日2011年8月26日
发明者徐小明, 周永君, 邬建伟, 丁云鑫 申请人:杭州士兰明芯科技有限公司