專利名稱：一種用于氣相沉積的水平式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于氣相沉積的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，更確切的說，本發(fā)明提供一種用于獲得大面積均勻沉積材料的氣相沉積的水平式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，氣相沉積(包括外延)技術(shù)在材料制備中獲得了廣泛的應(yīng)用。由于批量生產(chǎn)等的需求，通常要求沉積得到的薄膜材料的厚度、質(zhì)量和組分等具有較好的空間均勻性。這就要求在反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有科學(xué)性，從而保證氣流在要沉積的物體(通常稱為襯底)上方能夠均勻分布。目前經(jīng)常使用的反應(yīng)器從結(jié)構(gòu)上來說主要包括兩種，即垂直式(也稱為立式)或者水平式(也稱為臥式)[楊樹人、丁墨元“外延生長(zhǎng)技術(shù)”，國防工業(yè)出版社，1992年]，當(dāng)然也存在其他一些特殊的供氣方式，但是往往氣流難以控制，通常較少采用。在立式反應(yīng)器中，整個(gè)反應(yīng)器豎直放置，采用噴淋等方式供氣，有時(shí)也使襯底旋轉(zhuǎn)來解決沉積材料的空間均勻性問題，設(shè)備制造比較復(fù)雜；在臥式反應(yīng)器中采用氣流以一定角度吹向襯底(近似水平供氣)、襯底旋轉(zhuǎn)等方式來克服襯底上方沿氣流方向的氣體濃度不均勻性。但是由于氣流方向與襯底之間的最佳角度對(duì)總氣流量等條件的變化比較敏感，因此使用受到限制，也很難得到大面積均勻的沉積材料；另外，這種方式中氣源的混合區(qū)較長(zhǎng)，有的情況下，沉積所需的不同氣源氣體過早相遇混合會(huì)發(fā)生預(yù)反應(yīng)，即氣源氣體在沒有到達(dá)襯底之前已經(jīng)發(fā)生反應(yīng)，而不是在襯底上才發(fā)生反應(yīng)，從而影響了材料質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述水平式反應(yīng)器中的種種弊端本發(fā)明提供了一種用于氣相沉積的水平式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供了一種更加合理的、容易實(shí)現(xiàn)大面積均勻、并且可以避免不同源氣體混合過早而發(fā)生預(yù)反應(yīng)的水平式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，使得采用本發(fā)明提供的水平式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，即使在不旋轉(zhuǎn)的情況下也可以獲得具有較高均勻性的外延材料。圍繞著大面積均勻性和減小預(yù)反應(yīng)的發(fā)生。
本發(fā)明涉及的一種用于氣相沉積的水平式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，其特征在于在水平式反應(yīng)器中采用了源氣垂直噴淋供給的方式。該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)由兩組噴淋頭、一路載氣、一個(gè)樣品托和一個(gè)圓形或者方形的水平腔體構(gòu)成，整個(gè)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)放在水平腔體內(nèi)，進(jìn)氣(包括源氣和載氣)和出氣口分別在水平腔體的兩端，使用時(shí)反應(yīng)器水平放置。由于采用垂直噴淋供氣方式，使用兩種反應(yīng)氣體在混合區(qū)很小的情況下也可以實(shí)現(xiàn)均勻混合，既保證了外延生長(zhǎng)中大面積均勻性的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也減少了對(duì)外延生長(zhǎng)有害的預(yù)反應(yīng)的發(fā)生。采用噴淋頭與樣品平行的結(jié)構(gòu)，既可以采用集成化的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，即源氣噴淋頭和樣品托固定在一起，也可以分別控制各氣路的位置，使得反應(yīng)器結(jié)構(gòu)容易加工，使用靈活。非常適用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和批量生產(chǎn)使用。
具體地說本發(fā)明提供的水平反應(yīng)器中采用了噴淋式的源氣供給方式(如圖1所示)。源氣進(jìn)氣共分為兩路，均采用噴淋的方式，噴淋頭整體形狀呈長(zhǎng)方形，兩路氣的噴淋頭在空間上重疊，噴淋頭的出氣口可以采用直接打孔的方式制備，方向向下，兩路噴淋頭的噴淋孔在水平位置上均勻相間排開(見圖2仰視圖)，兩個(gè)噴淋頭的高度可以根據(jù)需要選擇。每個(gè)噴淋頭都采用兩端供氣的方式(如圖3所示)，保證了噴頭內(nèi)氣流的均勻分布。噴頭(包括孔)的尺寸根據(jù)反應(yīng)室的不同做相應(yīng)的調(diào)整，以滿足使用需求為好。樣品托的方向與噴淋頭平行，樣品放在樣品托的上面，噴淋孔的下方，與噴淋頭的距離可以調(diào)整，如圖1所示，根據(jù)反應(yīng)器外管的尺寸和反應(yīng)氣體的成分以及氣流的流量，可以調(diào)節(jié)噴淋頭與樣品托之間的距離。每個(gè)噴淋頭的進(jìn)氣方向(見圖4剖面圖)。載氣采用水平供氣的方式，即與源氣的供氣方向垂直，用來帶走未反應(yīng)殘余的源氣及其他反應(yīng)生成物等，由于載氣的流速通常較比源氣流速低得多，因此對(duì)于源氣的分布影響較小。
針對(duì)不同的應(yīng)用，制備反應(yīng)器的材料為不銹鋼、玻璃、石英、金屬及石墨等，但是要求在水平反應(yīng)器中采用的源氣以垂直噴淋方式從噴淋孔流出，兩路氣的噴淋頭在空間上重疊，噴淋頭的出氣口可以采用直接打孔或者采用打孔后加延長(zhǎng)管(改變出氣孔高度)的方式，樣品托的方向與噴淋頭平行，樣品放在樣品托的上面，噴淋孔的下方，與噴淋頭平行，載氣的方向沿水平式反應(yīng)器方向，與源氣的方向垂直，兩路源氣和樣品托可以固定在一起(集成化)，也可以每一路獨(dú)立控制相對(duì)位置。
如上所述，由于本裝置在使用過程中，可以控制氣流均勻分布，減小空間分布的不均勻性和反應(yīng)氣體的混合區(qū)長(zhǎng)度，優(yōu)點(diǎn)歸納如下1.采用噴淋式的反應(yīng)室結(jié)構(gòu)，即使在樣品不旋轉(zhuǎn)的情況下也可保證了外延生長(zhǎng)中大面積均勻性的實(shí)現(xiàn)，2.采用噴淋供氣方式，保證了兩種反應(yīng)氣體在混合區(qū)很小的情況下也可以實(shí)現(xiàn)均勻混合，同時(shí)也減少了對(duì)外延生長(zhǎng)有害的預(yù)反應(yīng)的發(fā)生；
3.采用噴淋頭與樣品平行的結(jié)構(gòu)，使得反應(yīng)器結(jié)構(gòu)容易加工，保證了良好的重復(fù)性；有利于制備出集成化的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，即源氣出口和樣品托固定在一起，進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性。


圖1本發(fā)明提供的用于氣相沉積的水平式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的側(cè)視示意2本發(fā)明提供的用于氣相沉積的水平式噴淋孔分布平面示意3本發(fā)明提供的用于氣相沉積的水平式底部噴淋頭結(jié)構(gòu)仰視4本發(fā)明提供的用于氣相沉積的水平式噴淋頭進(jìn)氣方向剖面中1.腔體外壁 2.源氣噴淋頭 3.樣品 4.樣品托 5.頂部噴淋頭孔 6.底部噴淋頭孔 7.進(jìn)氣方向 8.氣流管道具體實(shí)施方式
下面通過具體實(shí)施例子進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特征點(diǎn)和顯著進(jìn)步，但本發(fā)明絕非僅限于實(shí)施例。
實(shí)例1.用作氫化物氣相外(HVPE)制備GaN材料中。整個(gè)反應(yīng)器采用石英材料制備，源氣的噴淋頭采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)。兩路源氣GaCl和NH3分別經(jīng)兩個(gè)噴淋頭流出，載氣采用N2，和源氣都由水平腔體的一端流入，然后經(jīng)另外一端流出。襯底Al2O3放在樣品托上，GaCl和NH3氣路的噴淋頭分別選擇36個(gè)和25個(gè)噴淋孔，相間排開，與下面的樣品托上下對(duì)正。即可進(jìn)行GaN的沉積生長(zhǎng)。我們采用這種方法獲得了厚度和質(zhì)量均勻的2英寸GaN材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用我們?cè)O(shè)計(jì)的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行外延生長(zhǎng)，即使在樣品不旋轉(zhuǎn)的情況下也可以獲得大面積均勻的材料。
權(quán)利要求
1.一種用于氣相沉積的水平式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，其特征在于(1)反應(yīng)器由兩組噴淋頭、一路載氣、一個(gè)樣品托和一個(gè)水平腔體構(gòu)成；(2)兩組源氣以垂直噴淋方式分別從兩個(gè)噴淋孔流出；兩組氣的噴淋頭在空間上重疊，兩路噴淋頭的噴淋孔在水平位置上均勻相間排開，與下面的樣品托上下對(duì)正；(3)載氣的方向沿水平式反應(yīng)器方向，與源氣方向垂直；(4)樣品托的方向與噴淋頭平行。
2.按權(quán)利要求1所述用于氣相沉積的水平式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，其特征在于每個(gè)噴淋頭采用兩端供氣的方式；噴淋頭整體形狀呈長(zhǎng)方形。
3.按權(quán)利要求1或2所述用于氣相沉積的水平式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，其特征在于噴淋頭的出氣口采用直接打孔的方式制備或采用打孔后加延長(zhǎng)管的方式制備。
4.按權(quán)利要求1所述用于氣相沉積的水平式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的載氣和源氣由水平腔的一端流入，然后從腔體另一端流出。
5.按權(quán)利要求1所述用于氣相沉積的水平式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，其特征在于兩路源氣噴淋頭和樣品托固定在一起，或分別控制各氣路的相對(duì)位置。
6.按權(quán)利要求1所述用于氣相沉積的水平式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的水平腔體呈圓形或方形。
7.按權(quán)利要求1、2、3、4、5或6所述用于氣相沉積的水平式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，其特征在于制備反應(yīng)器的材料為不銹鋼、玻璃、石英、金屬或石墨。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于氣相沉積的水平式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，其特征在于采用了源氣垂直噴淋供給的方式。該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)由兩組噴淋頭、一路載氣、一個(gè)樣品托和一個(gè)圓形或者方形的水平腔體構(gòu)成，整個(gè)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)放在水平腔體內(nèi)，源氣和載氣進(jìn)氣口和出氣口分別在水平腔體的兩端，使用時(shí)反應(yīng)器水平放置。由于采用垂直噴淋供氣方式，使得兩種反應(yīng)氣體在混合區(qū)很小的情況下也可以實(shí)現(xiàn)均勻混合，既保證了外延生長(zhǎng)中大面積均勻性的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也減少了對(duì)外延生長(zhǎng)有害的預(yù)反應(yīng)的發(fā)生。采用噴淋頭與樣品平行的結(jié)構(gòu)，既可以采用集成化的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，即源氣噴淋頭和樣品托固定在一起，也可以分別控制各氣路的位置，使得反應(yīng)器容易加工，使用靈活，適合于批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C23C16/455GK1544687SQ20031010879
公開日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2003年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月21日
發(fā)明者于廣輝, 葉好華, 雷本亮, 李愛珍, 齊鳴 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究