MOCVD反应室的隔离挡板装置的制作方法

mocvd反应室的隔离挡板装置
技术领域
1.本发明涉及金属有机化合物化学气相沉淀设备技术领域，尤其涉及一种mocvd反应室的隔离挡板装置。


背景技术：

2.mocvd(metal-organic chemical vapor deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)是在气相外延生长(vpe)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术，mocvd是以热分解反应方式进行的。在mocvd反应室设计中，其最重要的部分在于反应室内部流场及温场的设计，只有设计合适的流场及温场才能使反应室内部的反应过程平稳进行，提高反应物源材料的利用率，并提高沉积薄膜的质量。因此通常在mocvd设备中设置有隔离挡板装置(shutter)，以影响反应室内部的流场和温场分布。
3.如附图1a所示，mocvd外延工艺所需的若干种工艺气体由上盖20的进气装置进入反应腔10内，通过围绕在反应室内侧壁的隔离挡板装置30对工艺气体的流场进行一定限制，将工艺气体的气流引导到基片托盘40上，在基片表面进行化学反应以沉积薄膜，之后，使用真空泵将反应后的气体(及反应副产物等)从反应腔10底部的抽气孔排出反应腔10。反应腔10侧壁设有用于放入或取出基片托盘40的开口，隔离挡板装置30可在关闭开口的第一位置和打开开口的第二位置之间移动。
4.隔离挡板装置30内部通常设有冷却液管道，冷却液通过上盖20相应的冷却液接口被导入到隔离挡板装置30内，对隔离挡板装置30进行冷却。其水冷结构通常设计为冷却液从隔离挡板装置30上端注入，从隔离挡板装置30上端流出，参见附图1b。
5.通过对现有技术的隔离挡板装置的水冷结构的应用进行分析，参见附图1c，发现：由于采用上进上出冷却结构，隔离挡板装置内部上层冷却液流速明显高于下层冷却液流速，流速均匀性差，导致隔离挡板装置冷却不均匀，下层温度远高于上层温度，反应室内温度场不均匀，影响基片表面生长外延层的均匀性。而且长时间使用时，由于冷却的不均匀，隔离挡板装置的变形难以预测，容易对材料生长的重复性产生影响，干扰工艺对于重复性不良原因的判断。对于隔离挡板装置本身而言，也会影响其使用寿命。
6.因此，有必要提供一种新的mocvd反应室的隔离挡板装置，以解决现有技术中存在的上述问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种mocvd反应室的隔离挡板装置，用以改善隔离挡板装置冷却不均匀的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供了一种mocvd反应室的隔离挡板装置，包括：环形挡板、位于所述环形挡板内部适于容纳冷却液的夹层流道、位于所述夹层流道一端的注液通道、位于所述夹层流道另一端的出液通道，以及将所述夹层流道和所述注液通道连通的多个纵向分布的注入通路，将所述夹层流道和所述出液通道连通的多个纵向分布的排出通
路。
9.具体地，所述夹层流道与所述环形挡板在竖直方向的剖面上具有相同的形状，所述夹层流道由上至下包括多个内径不同的环形段部，至少一个所述注入通路的注入点位于最上部的环形段部，以及至少一个所述注入通路的注入点位于最下部的环形段部。
10.示例性地，每个所述环形段部均设有所述注入通路的注入点，每个所述环形段部上的所述注入通路的注入点均匀分布。
11.所述环形段部的内径由上至下逐渐增大，且位于所述夹层流道最上部的环形段部的内径上下均相同，其他环形段部的内径以不同斜率由上至下逐渐增大。
12.一种可能的实施例中，所述注入通路和所述排出通路均位于所述夹层流道竖直方向的剖面上，每个所述注入通路与该所述注入通路所连通的环形段部的切面形成夹角，所述夹角均大于等于30
°
。
13.一种可能的实施例中，所述夹角均大于等于45
°
。
14.在一个具体的实施例中，所述夹角均大于等于70
°
且小于等于120
°
。
15.可选地，当一个所述环形段部连通多个注入通路时，所述多个注入通路相互平行。
16.各个所述注入通路与该所述注入通路所连通的环形段部的切面形成的夹角角度均相等。
17.所述注入通路均沿水平方向设置。
18.所述注入通路和所述排出通路在所述夹层流道的两端关于所述夹层流道的中心轴线对称设置。
19.本发明提供的mocvd反应室的隔离挡板装置的有益效果在于：在隔离挡板装置内部的夹层流道一端设置多个冷却液注入通路、另一端设置多个冷却液排出通路，使得冷却液能够从不同位置流入夹层流道也能够从不同位置导出夹层流道，从而调整了夹层流道内冷却液的流速分布状态，使得冷却液在夹层流道内的流动范围更大，且分布更加均匀。与现有技术相比，本发明的设计明显改善了隔离挡板装置冷却不均匀的问题，从而可以提高反应室内部温场分布的均匀性，因此有利于基片表面生长外延层的均匀性提升。同时，隔离挡板装置的降温效果有明显提升，隔离挡板不易变形，减小了对外延生长工艺重复性的干扰。
附图说明
20.图1a为现有技术中mocvd反应室的结构示意图；
21.图1b为现有技术中mocvd反应室的隔离挡板装置的结构示意图；
22.图1c为现有技术的隔离挡板装置中冷却液流动效果模拟图；
23.图2a至图2b为本发明实施例1的mocvd反应室的隔离挡板装置的结构示意图及其相应的冷却液流动效果模拟图；
24.图3a至图3b为本发明实施例2的mocvd反应室的隔离挡板装置的结构示意图及其相应的冷却液流动效果模拟图；
25.图4a至图4b为本发明实施例3的mocvd反应室的隔离挡板装置的结构示意图及其相应的冷却液流动效果模拟图；
26.图5a至图5b为本发明实施例4的mocvd反应室的隔离挡板装置的结构示意图及其相应的冷却液流动效果模拟图；
27.图6a至图6b为本发明实施例5的mocvd反应室的隔离挡板装置的结构示意图及其相应的冷却液流动效果模拟图；
28.图7a至图7b为本发明实施例6的mocvd反应室的隔离挡板装置的结构示意图及其相应的冷却液流动效果模拟图。
29.附图标记：
30.100-环形挡板；1-夹层流道；11-外层筒状挡板；12-内层筒状挡板；13-第一段部；14-第二段部；15-第三段部；21-注液通道；22-出液通道；31-注入通路；32-排出通路；4-夹层流道的中心轴线。
具体实施方式
31.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
32.针对现有技术存在的问题，本发明的实施例提供了一种mocvd反应室的隔离挡板装置。
33.参见图2a，mocvd反应室的隔离挡板装置包括：环形挡板100、位于环形挡板100内部适于容纳冷却液的夹层流道1、位于夹层流道1一端的注液通道21、位于夹层流道1另一端的出液通道22，以及将夹层流道1和注液通道21连通的多个纵向分布的注入通路31、将夹层流道1和出液通道22连通的多个纵向分布的排出通路32。
34.本实施例的mocvd反应室的隔离挡板装置中，在夹层流道1一端设置多个纵向分布的冷却液注入通路31、在另一端设置多个纵向分布的冷却液排出通路32，使得冷却液能够从不同位置流入夹层流道1，也能够从不同位置导出夹层流道1，从而调整了夹层流道1内冷却液的流速分布状态，使得冷却液在夹层流道1内流动的范围更大，冷却液分布更均匀。与现有技术相比，本实施例的设计明显改善了隔离挡板装置冷却不均匀的问题，提高了反应室内部温场分布的均匀性，因此有利于基片表面生长外延层的均匀性提升。同时，隔离挡板装置的降温效果有明显提升，隔离挡板不易变形，减小了对外延生长工艺重复性的干扰。
35.一种可能的实施例中，环形挡板100的顶部安装至少两根连杆，每个连杆内设置将冷却液引入到环形挡板100内部的夹层流道1的注液通道21或用来将冷却液从环形挡板100内部的夹层流道1导出的出液通道22，且包括至少一个注液通道21和至少一个出液通道22。在夹层流道1的一端，夹层流道1和注液通道21之间通过多个沿夹层流道1纵向分布的注入通路31连通，在夹层流道1的另一端，夹层流道1和出液通道22之间通过多个沿夹层流道1纵向分布的排出通路32连通。即注液通道21为引入冷却液的主干通路，多个纵向分布的注入通路31为向夹层流道1引入冷却液的分支通路，多个纵向分布的排出通路32为将夹层流道1内的冷却液导出的分支通路，出液通道22为导出冷却液的主干通路。
36.在一个具体的实施例中，mocvd反应室的隔离挡板装置设置两个用于将冷却液注
入或导出夹层流道1的通道时，其中一个为注液通道21，另一个为出液通道22。优选地，注液通道21与出液通道22相对分布，注液通道21与出液通道22之间的连线与夹层流道1的中心轴线4相交。注液通道21和出液通道22相对分布能够使得冷却液经注液通道21流入夹层流道1后，流向出液通道22的过程中，沿任一方向流动时所经过的夹层流道1的范围相当，有利于冷却液均匀分布。
37.可选地，注入通路31和排出通路32在夹层流道1的两端关于夹层流道的中心轴线4可以是对称分布。即，注入通路31和排出通路32包括的通路的数量、设置的高度均相同，设置的方向对称。也可以是注入通路31和排出通路32包括的通路的数量和/或设置的高度、角度不同。
38.此外，本实施例的结构设计使得应用时无需明确区分上述通道中哪一个为注液通道21，哪一个为出液通道22。例如当设置两个用于将冷却液注入或导出夹层流道1的通道时，选择其中一个作为注液通道21则另一个即为出液通道22。
39.一种可能的实施例中，多个注入通路31均匀分布。具体地，多个注入通路31的注入点在夹层流道1的高度方向上均匀分布。
40.一种可能的实施例中，多个注入通路31均位于夹层流道1竖直方向的剖面上，且相互平行；或者多个注入通路31均位于夹层流道1竖直方向的剖面上，但多个注入通路31中的至少2个通路并不相互平行，而是呈一定角度；或者多个注入通路31并非均位于夹层流道1竖直方向的剖面上，也即多个注入通路31中的至少一个通路位于与夹层流道1竖直方向的剖面呈一定角度的面上。
41.一种可能的实施例中，多个注入通路31均沿水平方向设置。
42.多个排出通路32的排布方式与上述注入通路31的排布方式类似。
43.多个注入通路31和多个排出通路32的具体的排布方式以夹层流道1内冷却液的流速分布状态来进行调整。
44.一种可能的实施例中，夹层流道1与环形挡板100在竖直方向的剖面上具有相同的形状。具体地，环形挡板100由外层筒状挡板11和内层筒状挡板12焊接而成，外层筒状挡板11和/或内层筒状挡板12上设有环形凹槽，外层筒状挡板11的内壁和内层筒状挡板12的外壁之间的空间形成夹层流道1。外层筒状挡板11和内层筒状挡板12均由上至下内径不同，相应的，夹层流道1由上至下包括多个内径不同的环形段部。可选地，至少一个注入通路31的注入点位于最上部的环形段部，以及至少一个注入通路31的注入点位于最下部的环形段部。可选地，每个环形段部上均设有至少一个注入通路31的注入点，可选地，每一个环形段部上的注入通路31的注入点均匀分布。
45.应理解，本技术实施例对环形段部数量不作限定，可以是两个，也可以是更多。
46.示例性地，当夹层流道1由上至下包括2个内径不同的环形段部时，即包括位于上部的环形段部和与位于上部的环形段部相接的位于下部的环形段部，则位于上部的环形段部连通至少一个注入通路31，位于下部的环形段部也连通至少一个注入通路31。当夹层流道1由上至下包括3个内径不同的环形段部时，参照图2a，夹层流道1包括位于最上部的第一环形段部13、位于中部的第二环形段部14和位于最下部的第三环形段部15。位于最上部的第一环形段部13连通i个注入通路31，其中i≥1；位于中部的第二环形段部14连通j个注入通路31，其中j≥0，当j＝0时，即位于中部的第二环形段部14不连通注入通路31；位于最下
部的第三环形段部15连通k个注入通路31，其中k≥1。优选地，每个环形段部上均连通有至少一个注入通路31，优选地，当i≥2时，i个注入通路31在第一环形段部13的注入点在高度方向上均匀分布，当j≥2时，j个注入通路31在第二环形段部14的注入点在高度方向上均匀分布，当k≥2时，k个注入通路31在第三环形段部15的注入点在高度方向上均匀分布。
47.一种可能的实施例中，夹层流道1由上至下包括的多个内径不同的环形段部中，至少两个环形段部的内径以不同斜率变化，以使夹层流道1呈台阶状。
48.一种可能的实施例中，所述环形段部的内径由上至下逐渐增大，且位于所述夹层流道最上部的环形段部的内径上下均相同，其他环形段部的内径以不同斜率由上至下逐渐增大。
49.示例性地，当夹层流道1由上至下包括两个内径不同的环形段部时，即包括位于上部的环形段部和与位于上部的环形段部相接的位于下部的环形段部，位于上部的环形段部的内径上下均相同，即其内径以斜率为0变化，位于下部的环形段部的内径大于位于上部的环形段部的内径，且位于下部的环形段部的内径逐渐增大，即其内径以某一不为0的斜率增大。当夹层流道1由上至下包括3个内径不同的环形段部时，仍参照图2a，位于最上部的第一环形段部13的内径上下均相同，第二环形段部14的内径大于第一环形段部13的内径，第三环形段部15的内径大于第二环形段部14的内径，其中第二环形段部14的内径以第一斜率由上至下逐渐增大，第三环形段部15的内径以第二斜率由上至下逐渐增大，其中，第一斜率与第二斜率不相等。
50.一种可能的实施例中，注入通路31和排出通路32均位于夹层流道1竖直方向的剖面上，每个注入通路31与该注入通路所连通的环形段部的切面形成的夹角夹角大于等于30
°
。
51.优选地，夹角大于等于45
°
。
52.优选地，夹角大于等于70
°
且小于等于120
°
。
53.一种可能的实施例中，当一个环形段部上连通多个注入通路31时，连通该环形段部的多个注入通路相互平行。
54.一种可能的实施例中，各个注入通路31与该注入通路所连通的环形段部的切面形成的夹角角度均相等。
55.示例性地，参照图2a，第一环形段部13连通i个注入通路31，则i个注入通路31中的任意一个注入通路31与第一环形段部13的切面形成夹角i个注入通路31则形成i个夹角第二环形段部14中设置j个注入通路31，则j个注入通路31中的任意一个注入通路31与第二环形段部14的切面形成夹角j个注入通路31则形成j个夹角第三环形段部15中设置k个注入通路31，则k个注入通路31中的任意一个注入通路31与第三环形段部15的切面形成夹角k个注入通路31则形成k个夹角
56.i个夹角可以相同也可以不相同，j个夹角可以相同也可以不相同，k个夹角可以相同也可以不相同。优选的，当第一环形段部13连通i个(i≥2)注入通路31，则这i个注入通路相互平行，即这i个注入通路31与第一环形段部13的切面形成的i个夹角均相等；当第二环形段部14连通j个(j≥2)注入通路31，则这j个注入通路相互平行，即这j个注入通路31与第二环形段部14的切面形成的j个夹角均相等；当第三环形段部15连通k个(k≥2)注入通路31，则这k个所述注入通路相互平行，即这k个注入通路31与第三环形段部15
的切面形成的k个夹角均相等。优选的，
57.本发明的实施例提供了一种mocvd反应室的隔离挡板装置，使得冷却液能够从不同位置流入夹层流道也能够从不同位置导出夹层流道，从而调整了夹层流道内冷却液的流速分布状态，使得冷却液在夹层流道内的流动范围更大，且分布更加均匀。
58.以下提供了注入通路31与该注入通路所连通的环形段部的切面形成的夹角为不同角度(即不同注入角度)的实施例，其相对于对比例而言，明显改善了隔离挡板装置冷却不均匀的问题，提高了反应室内部温场分布的均匀性，因此有利于基片表面生长外延层的均匀性提升。对冷却液在夹层流道1内的流速的分布状态的影响，由此展示其对隔离挡板装置的降温效果。
59.对比例
60.参见说明书附图1a至图1c，现有技术中的隔离挡板装置包括环形挡板、位于环形挡板内部适于容纳冷却液的夹层流道、位于夹层流道上方的注液通道、和出液通道，冷却液从隔离挡板装置上端注入，从隔离挡板装置上端流出，从图1c所示的冷却液流动效果的模拟图可以看出，隔离挡板装置内部上层冷却液流速明显高于下层冷却液流速，流速均匀性差，冷却液在夹层流道内会产生涡流，冷却液流经区域小，导致隔离挡板装置冷却不均匀。
61.实施例1
62.参见图2a，隔离挡板装置包括：环形挡板100、位于环形挡板100内部适于容纳冷却液的夹层流道1、位于夹层流道1一端的注液通道21、位于夹层流道1另一端的出液通道22，以及将夹层流道1和注液通道21连通的多个纵向分布的注入通路31、将夹层流道1和出液通道22连通的多个纵向分布的排出通路32。其中注液通道21与出液通道22对称设置。
63.夹层流道1与环形挡板100在竖直方向的剖面上具有相同的形状，夹层流道1由上至下包括3个内径不同的环形段部，分别是位于最上部的第一环形段部13、位于中部的第二环形段部14和位于最下部的第三环形段部15。第一环形段部13的内径从上至下相同，第二环形段部14的内径大于第一环形段部13的内径，且从上至下逐渐增大，第三环形段部15的内径大于第二环形段部14的内径，且从上至下逐渐增大。
64.第一环形段部13上连通有多个注入通路31，第二环形段部14上连通有多个注入通路31，第三环形段部15上连通有多个注入通路31，各注入通路31均互相平行，且水平设置。排出通路32与注入通路31对称设置。
65.上述隔离挡板装置的冷却液流动效果模拟图如图2b所示，可以看出冷却液流经夹层流道1时无涡流产生，相比对比例，冷却液流经区域的面积更大，降温均匀性更好。
66.实施例2
67.参见图3a和图3b，实施例2与实施例1的差别在于，实施例1中各注入通路31均互相平行且水平设置，而实施例2中与第一环形段部13连通的多个注入通路31相互平行且与第一环形段部13的切面的夹角均为30
°
，与第二环形段部14连通的多个注入通路31相互平行且与第二环形段部14的切面的夹角均为30
°
，与第三环形段部15连通的多个注入通路31相互平行且与第三环形段部15的切面的夹角均为30
°
。在该角度设置下，虽然冷却液在夹层流道1内仍会产生涡流，但相比对比例而言，冷却液流经区域明显增大，降温均匀性有所提升。
68.实施例3
69.参见图4a和图4b，实施例3与实施例2的差别在于，本实施例中，与第一环形段部13
连通的注入通路31与第一环形段部13的切面的夹角为45
°
，与第二环形段部14连通的注入通路31与第二环形段部14的切面的夹角为45
°
，与第三环形段部15连通的注入通路31与第三环形段部15的切面的夹角为45
°
。在该角度设置下，相比对比例及实施例2的方案，涡流区域面积有所减小，冷却液流经区域进一步增大，使得降温均匀性进一步提升。
70.实施例4
71.参见图5a和图5b，实施例4与实施例3的差别在于，本实施例中，与第一环形段部13连通的注入通路31与第一环形段部13的切面的夹角为90
°
，与第二环形段部14连通的注入通路31与第二环形段部14的切面的夹角为90
°
，与第三环形段部15连通的注入通路31与第三环形段部15的切面的夹角为90
°
。在该角度设置下，冷却液流经夹层流道1时无涡流产生，相比对比例及实施例3的方案，，冷却液流经区域的面积较大，降温均匀性更好。
72.实施例5
73.参见图6a和图6b，实施例5与实施例4的差别在于，在本实施例中，与第一环形段部13连通的注入通路31与第一环形段部13的切面的夹角为100
°
，与第二环形段部14连通的注入通路31与第二环形段部14的切面的夹角为100
°
，与第三环形段部15连通的注入通路31与第三环形段部15的切面的夹角为100
°
。在该角度设置下，冷却水流经夹层流道1时无涡流产生，相比对比例及实施例4的方案，冷却液流动的均匀性更好，降温效果更为理想。
74.实施例6
75.参见图7a和图7b，实施例6与实施例5的差别在于，在本实施例中，与第一环形段部13连通的注入通路31与第一环形段部13的切面的夹角为120
°
，与第二环形段部14连通的注入通路31与第二环形段部14的切面的夹角为120
°
，与第三环形段部15连通的注入通路31与第三环形段部15的切面的夹角为120
°
。在该角度设置下，相比于实施例5而言，虽然冷却液在夹层流道1内又会产生涡流，但相比对比例而言，冷却液流经区域更大，且流经夹层流道1下端的冷却液更多。由于mocvd反应室的加热盘位于隔离挡板装置下端，所以本方案相对于对比例更适合于实际生产，能够实现良好的降温效果。
76.综上所述，本发明提供了mocvd反应室的隔离挡板装置使得夹层流道内冷却液分布范围更广且分布更均匀，改善了隔离挡板装置冷却不均匀的问题，从而可以提高反应室内部温场分布的均匀性。进一步地，通过调整夹层流道上注入通路与该注入通路所在环形段部的切面形成的夹角，可以消除冷却液在夹层流道内的涡流现象，冷却均匀性更理想。
77.虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。