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(shutter)，以影响反应室内部的流场和温场分布。
3.参见说明书附图1a，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，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注入通路、将所述夹层流道和所述出液通道连通的多个排出通路；所述环形挡板由上至
下包括多个内径不同的环形段部，以使所述环形挡板呈台阶状；所述夹层流道在竖直方向的剖面上为梯形，使得所述夹层流道呈圆台形。
9.具体地，所述夹层流道上设有多个所述注入通路的注入点，多个所述注入通路的注入点沿所述夹层流道由上至下均匀分布。
10.示例性地，其特征在于，当所述夹层流道连通多个注入通路时，所述多个注入通路相互平行；当所述夹层流道连通多个排出通路时，所述多个排出通路相互平行。
11.一种可能的实施例中，所述注入通路均位于所述夹层流道竖直方向的剖面上，每个所述注入通道与所述夹层流道的切面形成夹角，所述夹角均大于等于30
°
。
12.一种可能的实施例中，所述夹角大于等于60
°
且小于等于120
°
。
13.一种可能的实施例中，所述夹角大于等于90
°
且小于等于100
°
。
14.可选地，各个所述注入通路与所述夹层流道的切面形成的夹角角度均相等。
15.一种可能的实施例中，所述注液通道的数量为一个，所述出液通道的数量为一个；所述注液通道和所述出液通道的连线与所述夹层流道的中心轴线相交。
16.在一个具体的实施例中，所述注入通路与所述排出通路的数量相等。
17.示例性地，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。
18.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、在夹层流道的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，并将隔离挡板装置的环形挡板设置成多段式结构以降低气体在反应室内流动过程中死区与涡流的产生，同时将环形挡板中的夹层流道设计为圆台形，而并非与环形挡板形状一样的台阶状，可以减小冷却液流动过程中的死角，进一步增强降温效果。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
19.图1a为现有技术中mocvd反应室的结构示意图；
20.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；
21.图1c为现有技术的隔离挡板装置中冷却液的流动效果模拟图；
22.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；
23.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；
24.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；
25.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；
26.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；
27.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；
28.图8a至图8b为本发明实施例7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；21-外层筒状挡板；22-内层筒状挡板；31-注液通道；32-出液通道；41-注入通路；42-排出通路；5-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31、位于夹层流道1另一端的出液通道32，以及将夹层流道1和注液通道31连通的多个注入通路41，将夹层流道1和出液通道32连通的多个排出通路42。环形挡板100由上至下包括多个内径不同的环形段部，以使环形挡板100呈台阶状。夹层流道在竖直方向的剖面上为梯形，使得夹层流道呈圆台形。
34.本实施例的mocvd反应室的隔离挡板装置中，在夹层流道1的一端设置多个注入通路41，另一端设置多个排出通路42，使得冷却液能够从不同位置注入夹层流道1，且能够将冷却液从夹层流道1的不同位置导出，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内的流动范围更大，且分布更加均匀，环形挡板100设置成多段式结构，以减少在反应室内流动过程中该区域内部死区与涡流的产生，将环形挡板100中的夹层流道1设计为圆台形，而并非与环形挡板100形状一样的台阶状，可以减小冷却液流动过程中的死角，进一步增强降温效果。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，每个连杆内设置用于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31或用于将冷却液从环挡板内部的夹层流道1导出的出液通道32，其中包括至少一个注液通道31和至少一个出液通道32。在夹层流道1的一端，夹层流道1和注液通道31之间通过多个注入通路41连通，在夹层流
道1的另一端，夹层流道1和出液通道32之间通过多个排出通路42连通。
36.在一个具体的的实施例中，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31，另一个为出液通道32。优选地，注液通道31和出液通道32相对分布，注液通道31和出液通道32之间的连线与夹层流道的中心轴线5相交，能够使得冷却液经注液通道31流入夹层流道1后，流向出液通道32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.进一步，注入通路41与排出通路42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41和排出通路42包括的通路的数量、设置的高度以及与夹层流道1之间形成的夹角角度均相同。也可以是注入通路41和排出通路42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31，哪一个为出液通道32。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31则另一个即为出液通道32。
39.一种可能的实施例中，多个注入通路41均匀分布。具体地，夹层流道1上设有多个注入通路41的注入点，多个注入通路41的注入点沿夹层流道1由上至下均匀分布。
40.一种可能的实施例中，注入通路41与排出通路42的数量相等。
41.一种可能的实施例中，多个注入通路41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41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4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。
42.多个排出通路42的排布方式与上述注入通路41的排布方式类似。
43.多个注入通路41和多个排出通路42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.为保证mocvd设备内部(a区域)气流的流动情况，隔离挡板设置为多段式结构，由上至下包括多个内径不同的环形段部，使环形挡板100呈台阶状，如此至少部分所述环形段部与竖直方向之间形成夹角，以此实现使mocvd设备内部的气流在流动过程中不产生死区与涡流。
45.在本发明提供的一种实施方式中，夹层流道1的形状与环形挡板100的形状一致，包括多个内径不同的环形段部，从而夹层流道1也呈台阶状。在此实施方式中，冷却液能够从不同位置注入夹层流道1，相比现有技术能够增加冷却液在夹层流道1内流动的范围，提升降温效果。
46.但夹层流道1的多段式结构使得夹层流道1的各环形段部与竖直方向之间形成不同夹角，冷却液在每一段中的流动方向会有所不同，冷却液在夹层流道1内流动时不同的流动方向会相互影响，使得在冷却液的流动过程中在不同流动方向下存在死区与涡流。
47.本发明进一步提出了另一种更优的实施方式，在本实施方式中，将夹层流道1的形状与环形挡板100的形状设置为不一致，在夹层流道1的竖直方向的剖面上夹层流道1为梯形，即夹层流道1与注入通路41连通的区域呈直线型，使得冷却液在经注入通路41注入夹层流道1后在夹层流道1内的流动方向相同。如此，可以减小冷却液在夹层流道1内流动过程中的死角，增强降温效果。
48.具体地，环形挡板100由外层筒状挡板21和内层筒状挡板22焊接而成，外层筒状挡
板21的内壁和内层筒状挡板22的外壁之间的空间形成夹层流道1。外层筒状挡板21和内层筒状挡板22均由上至下内径逐渐增大，相应的，夹层流道1由上至下内径逐渐增大。
49.一种可能的实施例中，当夹层流道1连通多个注入通路41时，多个注入通路41相互平行；当夹层流道1连通多个排出通路42时，多个排出通路42相互平行。冷却液流动过程中，注入夹层流道1前在注入通路41内的流动方向也相同，能够更好地避免流动过程中因流动方向相互影响产生死角与涡流。
50.一种可能的实施例中，多个注入通路41均位于夹层流道1竖直方向的剖面上，每个注入通路41与夹层流道1的切面形成夹角夹角大于等于30
°
。
51.优选地，夹角大于等于60
°
且小于等于120
°
。
52.优选地，夹角大于等于90
°
且小于等于100
°
。
53.一种可能的实施例中，各个注入通路41与夹层流道1的切面形成的夹角角度均相等。
54.示例性地，参照图2a，夹层流道1连通n个注入通路41，则n个注入通路41中的任意一个注入通路41与夹层流道1的切面形成夹角n个注入通路41则形成n个夹角
55.n个夹角可以相同也可以不相同。优选地，当夹层流道1连通n个(n≥2)注入通路41，则这n个注入通路41相互平行，即这n个注入通路41与夹层流道1的切面形成的n个夹角均相等。
56.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，并能减小冷却液在夹层流道1内流动过程中的死角，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。
57.以下提供了注入通路41与夹层流道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。
58.对比例
59.参见说明书附图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。
60.实施例1
61.参见图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31、位于夹层流道1另一端的出液通道32，以及将夹层流道1和注液通道31连通的多个注入通路41、将夹层流道1和出液通道32连通的多个排出通路42。其中注液通道31与出液通道32对称设置。
62.环形挡板100在竖直方向的剖面上呈台阶状，夹层流道1在竖直方的剖面上为梯形。夹层流道1连通有多个注入通路41，各个注入通路41均互相平行，各个注入通路41与夹
层流道1的切面形成的夹角为30
°
。排出通路42与注入通路41对称设置。
63.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，降温效果有所提升。
64.实施例2
65.参见图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41与夹层流道1的切面形成的夹角为30
°
，而实施例2中各注入通路41与夹层流道1的切面形成的夹角为45
°
。在该角度设置下，相比对比例及实施例1的方案，冷却液流经的区域更大，虽然冷却液流动过程中仍会产生涡流，但涡流区域的面积有所减小。
66.实施例3
67.参见图4a和图4b，实施例3与实施例2的差别在于，本实施例中，各注入通路41与夹层流道1的切面形成的夹角为60
°
。在该角度设置下，相比对比例和实施例2的方案，冷却液流经的区域更大，虽然冷却液流动过程中仍会产生涡流，但涡流区域的面积有所减小。
68.实施例4
69.参见图5a和图5b，实施例4与实施例3的差别在于，本实施例中，各注入通路41与夹层流道1的切面形成的夹角为90
°
。在该角度设置下冷却液流经夹层流道1时无涡流产生，相比对比例和实施例3的方案，冷却液流经区域的面积更大，降温效果更好。
70.实施例5
71.参见图6a和图6b，实施例5与实施例4的差别在于，本实施例中，各注入通路41与夹层流道1的切面形成的夹角为100
°
。在该角度设置下，冷却液在夹层流道1内流动时无涡流产生，相比对比例和实施例4的方案，冷却液流动的均匀性更好，降温效果更理想。
72.实施例6
73.参见图7a和7b，实施例6与实施例5的差别在于，本实施例中，各注入通路41与夹层流道1的切面形成的夹角为115
°
。在该角度设置下，虽然相比实施例5的方案冷却液流经区域有所减小，冷却液流动会形成涡流区域，但相比对比例，该角度设置下的冷却液流经区域更大，降温效果更好。
74.实施例7
75.参见图8a和图8b，实施例7与实施例6的差别在于，本实施例中，各注入通路41与夹层流道1的切面形成的夹角为120
°
。在该角度设置下，虽然相比实施例5的方案冷却液流经区域有所减小，冷却液流动会形成涡流区域，但相比对比例，该角度设置下的冷却液流经区域更大，降温效果更好。
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。