一种固态源气化装置

技术领域

本发明涉及固态源气化装置领域，特别是涉及一种用于使固态前驱体材料气化以向例如化学气相沉积设备、原子沉积设备或离子注入设备的反应腔体等前驱体蒸气使用系统输送前驱体蒸气的固态源气化装置。

背景技术

现有的固态源气化装置的结构是在密封容器内部有一个或多个盛放固态原料的托盘，对于多个托盘的方案中，每个托盘上均都分布有若干根通气导气管，以联通各托盘；工作状态下，密封容器由外部加热至固态原料的气化温度；密封容器有一个载气的进气口，载气由进气口进入，载气与固体原料的蒸气充分混合后由出气口进入与固态源气化装置相连的反应容器中。通常使用的载气为惰性气体，如氦气等。在半导体制造的应用中，反应容器通常为薄膜沉积设备的反应腔体，如CVD，ALD设备。在现有的固态源气化装置中，载气由顶部或底部进入容器，经导气管传输至壳体的底部，然后经过各层托盘上的导气管逐层上升，在上升的过程中与固态源气化的蒸气混合，混合气体由顶部的出气口输出，输送至反应容器中。

现有的固态源气化装置的缺点在于，首先，现有技术采用了串联的气体传输通道，载气要从下向上依次经过导气管进入各层托盘，最后到达最上层托盘，从出气口输出，所以载气在进入下面几层的托盘中时，载气中的蒸气含量低，因而，在下面几层的托盘中，固体原料的气化速度比较快，而载气到达顶部的几层托盘中时，载气中携带的蒸气的浓度比较高，所以顶部的几层托盘中的固体原料气化速度会比较慢，导致在固态源气化装置内，底层的托盘与顶层的托盘中固态源的气化速度相差很大，顶部几层的固态原料无法得到充分的利用。其次，因为在各层托盘中都均匀分布有多根导气管，为了防止固态原料颗粒进入导气管内，导致导气管的堵塞，导气管的高度要高于固态原料在托盘内的装载高度，而通常固体原料的装载量都比较多，所以导气管的高度通常是与托盘的外延高度接近，导致托盘叠放后，通气导气管的顶部与设置在其上层的托盘的底部非常接近，因而载气气流在固态原料表面的流动距离很短，所以载气能携带的固态源蒸气的量很少，使得载气与蒸气的混合效率很低。此外，虽然现有的固态源气化装置设置了多层托盘，装载在托盘内的固态原料的总表面积较大，但是上方各层气化效率并没有最大化，总的气化效率和传输效率没有最优化。因而，需要对现有的固态源气化装置进行改进。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中所述的现有的固态源气化装置采用了串联的气体传输通道，上层托盘中固态源物质的气化效率很低，在各层托盘内，载气在托盘内的水平移动距离很短，因而与固态蒸气的混合效果差，载气中能携带的蒸气的量很少，固态源气化装置的整体气化效率和传输效率都很低等问题，提供一种新型固态源气化装置。

为实现以上目的，本发明的第一种实现方案为：一种固态源气化装置，其包括壳体和若干层托盘，在壳体的顶部设有顶盖，在顶盖上设有进气口和出气口，托盘竖直叠放在壳体内，在壳体内设有载气管，载气管的上端与进气口连接，载气管穿过各层托盘，并延伸至最底层的托盘内，在载气管上设有若干个载气出口，载气出口设置在最底层托盘的空腔内或是设置在最底层托盘和其余的若干层托盘的空腔内，除最底层的托盘外，其余托盘内都设有若干个导气管。

作为上述的方案的进一步改进，所述的导气管设置在远离载气管的位置。通过这种设置，能使载气进入托盘内的位置远离导气管的位置，使载气在进入托盘后要后经过较长的路径才能到达上一层托盘的导气管的位置，通过导气管上升到上一层托盘内，这样载气在流动的过程中，能与托盘上固态源气化产生的蒸气充分的混合，并携带大量的蒸气进入到上层的托盘中，提高托盘内固态源物质的气化速率和蒸气的输送效率。

作为上述的方案的进一步改进，所述的载气管偏离托盘的中心位置设置。通过这种设置能进一步加大载气管与导气管之间的距离，这样载气在流动的过程中，能与托盘上固态源气化产生的蒸气充分的混合，并携带大量的蒸气进入到上层的托盘中，提高托盘内固态源物质的气化速率和蒸气的输送效率。

作为上述的方案的进一步改进，相邻的托盘内的导气管间隔设定的距离设置。通过这种设置，能使上升到上一层托盘的混合气体在托盘内经过一段传输距离后才能够进入再上一层托盘的导气管，上升到再上一层的托盘内，这样能进一步提高混合气与固态源蒸气的混合效率。

作为上述的方案的进一步改进，所述的各层托盘内都设有多根导气管，导气管设置在远离载气管的位置。通过这种设置，能提高混合气体的传输效率。

本发明的第二种实现方案为：一种固态源气化装置，其包括壳体和若干层托盘，在壳体的顶部设有顶盖，在顶盖上设有出气口，托盘竖直叠放在壳体内，在壳体的底部设有进气口，在壳体内设有载气管，载气管的下端与进气口连接，载气管穿过若干层托盘，在载气管上设有若干个载气出口，载气出口设置在最底层托盘的空腔内或是设置在最底层托盘和其余的若干层托盘的空腔内，除最底层的托盘外，其余托盘内都设有若干个导气管。

作为上述的方案的进一步改进，所述的导气管设置在远离载气管的位置。通过这种设置，能使载气进入托盘内的位置远离导气管的位置，使载气在进入托盘后要后经过较长的路径才能到达上一层托盘的导气管的位置，通过导气管上升到上一层托盘内，这样载气在流动的过程中，能与托盘上固态源气化产生的蒸气充分的混合，并携带大量的蒸气进入到上层的托盘中，提高托盘内固态源物质的气化速率和蒸气的输送效率。

作为上述的方案的进一步改进，所述的载气管偏离托盘的中心位置设置。通过这种设置能进一步加大载气管与导气管之间的距离，这样载气在流动的过程中，能与托盘上固态源气化产生的蒸气充分的混合，并携带大量的蒸气进入到上层的托盘中，提高托盘内固态源物质的气化速率和蒸气的输送效率。

作为上述的方案的进一步改进，相邻的托盘内的导气管间隔设定的距离设置。通过这种设置，能使上升到上一层托盘的混合气体在托盘内经过一段传输距离后才能够进入再上一层托盘的导气管，上升到再上一层的托盘内，这样能进一步提高混合气与固态源蒸气的混合效率。

作为上述的方案的进一步改进，所述的各层托盘内都设有多根导气管，导气管设置在远离载气管的位置。通过这种设置，能提高混合气体的传输效率。

本发明的第三种实现方案为：一种固态源气化装置，其包括壳体和若干层托盘，在壳体的顶部设有顶盖，在顶盖上设有进气口和出气口，托盘竖直叠放在壳体内，在最底层托盘的下方设有空腔，在壳体内设有第一载气管和第二载气管，第一载气管的上端与进气口连接，第一载气管穿过各层托盘并延伸至最底层托盘下方的空腔内，第二载气管有若干根，第二载气管从下向上穿过若干层托盘，第二载气管的下端开口位于最底层托盘下方的空腔内，在第二载气管上设有若干个载气出口，载气出口设置在最底层托盘的空腔内或是设置在最底层托盘和其余的若干层托盘的空腔内，除最底层的托盘外，其余托盘内都设有若干个导气管。

作为上述的方案的进一步改进，所述的第一载气管设置在托盘的中心位置或设置在偏离托盘中心的位置。第一载气管可以设置在托盘的中心位置或偏离中心的位置，设计时，可以根据气流路径的设计需要进行灵活调整。

作为上述的方案的进一步改进，所述的第二载气管设置在托盘的中心位置或设置在偏离托盘中心的位置。第二载气管可以设置在托盘的中心位置或偏离中心的位置，设计时，可以根据气流路径的设计需要进行灵活调整。

作为上述的方案的进一步改进，所述的第二载气管设置在远离第一载气管的位置。通过这种设置，能使载气在最底层托盘的下方的空腔内充满且压力稳定后，再进入载气管，使载气的压力更稳定。

作为上述的方案的进一步改进，所述的导气管设置在远离第二载气管的位置。通过这种设置，能使载气进入托盘内的位置远离导气管的位置，使载气在进入托盘后要后经过较长的路径才能到达上一层托盘的导气管的位置，通过导气管上升到上一层托盘内，这样载气在流动的过程中，能与托盘上固态源气化产生的蒸气充分的混合，并携带大量的蒸气进入到上层的托盘中，提高托盘内固态源物质的气化速率和蒸气的输送效率。

作为上述的方案的进一步改进，相邻的托盘内的导气管间隔设定的距离设置。通过这种设置，能使上升到上一层托盘的混合气体在托盘内经过一段传输距离后才能够进入再上一层托盘的导气管，上升到再上一层的托盘内，这样能进一步提高混合气与蒸气的混合效率。

作为上述的方案的进一步改进，所述的托盘内设有多根导气管。通过这种设置，能提高混合气体的传输效率。

作为上述的方案的进一步改进，所述的托盘内设有多根导气管，且导气管设置在第一载气管附近。通过这种设置，能提高混合气体的传输效率，并能使导气管与第二载气管远离，提高载气与蒸气的混合效率。

作为上述的方案的进一步改进，所述的第一载气管在一层或多层托盘空腔对应位置也有出气开口。通过这种设置，能使少量载气通过第一载气管上的出气开口进入托盘内，与托盘内的固态源气化产生的蒸气混合，提高混合效率。

作为上述的方案的进一步改进，所述的第二载气管只有一根或有一根以上。只设置一根第二载气管时，载气通过第二载气管上的载气出口进入托盘内，而设置多根第二载气管时，能提高载气的传输效率提高，进而提高固态源气化装置内的气体传输效率。

本发明具有积极的效果：1）本发明的固态源气化装置，采用了并联的气体传输通道，载气从进气口进入载气管后，能分别进入各层托盘内，载气在进入各层托盘后，能在各层托盘内沿着固态源物质的表面水平传输较长的距离才能到达导气管的位置，因而载气中能携带大量的固态源蒸气；2）因为在各层托盘中输入的载气都是不含挥发气的载气，所以载气能携带的蒸气的量都很大，而且能使各层托盘内固态源物质的气化速率相近，提高各层托盘内的固态源物质的气化效率，进而提升固态源气化装置的整体气化效率。

附图说明

图1a为实施例1的固态源气化装置的结构示意图。

图1b为实施例1的固态源气化装置的俯视示意图。

图1c为图1b中的A-A向剖视示意图。

图1d为实施例1的固态源气化装置的内部结构图。

图1e为第1-3层托盘的结构示意图。

图1f为图1e中的B-B向剖视图。

图1g为第4层托盘的结构示意图。

图1h为图1g的C-C向剖视图。

图2a为实施例2的固态源气化装置的结构示意图。

图2b为实施例2的固态源气化装置的俯视示意图。

图2c为图2b中的D-D向剖视示意图。

图2d为实施例2的固态源气化装置的内部结构示意图。

图3a为实施例3的固态源气化装置的结构示意图。

图3b为实施例3的固态源气化装置的俯视示意图。

图3c为图3b中的E-E向剖视示意图。

图3d为实施例3的固态源气化装置的内部结构示意图。

图4a为实施例4的固态源气化装置的结构示意图。

图4b为实施例4的固态源气化装置的俯视示意图。

图4c为图4b中的F-F向剖视示意图。

图4d为实施例4的固态源气化装置的内部结构示意图。

图5a为实施例5的固态源气化装置的结构示意图。

图5b为实施例5的固态源气化装置的俯视示意图。

图5c为图5b中的G-G向剖视示意图。

图5d为实施例5的固态源气化装置的内部结构示意图。

图6a为实施例8的固态源气化装置的结构示意图。

图6b为实施例8的固态源气化装置的俯视示意图。

图6c为图6b中的K-K向剖视示意图。

其中，壳体1，顶盖11，进气口12，出气口13，空腔14，托盘2，导气管21，导流板22，载气管3，第一载气管31，第二载气管32，载气出口33。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。

实施例1

如图1a-1h所示的一种固态源气化装置，其包括壳体1、若干层托盘2和载气管3。

壳体1为耐腐蚀的壳体，在壳体1的顶部设有顶盖11，顶盖11与壳体1固定连接后，在壳体1能形成气密封的腔体，在顶盖1上设有进气口12和出气口13。工作状态下，壳体1加热至特定的温度，使得固态源气化产生蒸气。壳体1加热可以由包裹壳体的加热装置实现，也可以由放置在液体加热容器中实现，或由其它加热装置实现。

载气管3为管状件，载气管3的上端与壳体顶盖上的进气口连接，载气管的底部延伸至壳体1内最底层的托盘2内。在载气管3上开有载气出口33，载气出口33设置在与若干层托盘2的内部空腔对应的位置，使载气能通过载气管3直接进入对应的托盘2内，例如在载气管3上与最底层托盘2的内部空腔对应的位置设有载气出口33，作为优选的实施方案，可以在任意两层或更多层托盘2的内部空腔中都设置载气出口33，或者在各层托盘2的内部空腔中都设有载气出口33。为了使进入固态源气化装置内的载气达到所需的温度，载气管3的载气是提前加热到所需温度的载气。载气管3的设计位置与壳体1顶盖11上的进气口12的位置相对应，载气管3可以设计在托盘2的中部，也可以不设计在托盘2的中部。

托盘2是用于盛放固态源物质的托盘，托盘2包括托盘底面和设置在托盘底面边缘的托盘沿，在托盘底面和托盘沿之间形成盛放固态源物质的腔体。托盘的数量包括若干层，例如可以设置为一层、两层、三层或更多层。为了提高固态源物质的气化速率，通常在固态源气化装置内设有多层托盘。多层托盘通过竖直叠放的方式设置在壳体内。在本实施例中有4层托盘，4层托盘竖直叠放在壳体内。如图1d和图1e所示，在第1-3层托盘底面上都设有用于穿过载气管3的通孔，在托盘的底面上还设有竖直的导气管21。而在第4层托盘内没有通孔，也没有导气管。作为优选方案，导气管21可以设置在远离载气管3的位置，导气管21用于将下层托盘中的混合气体传输至上层托盘内，为了便于多层托盘的竖直叠放，导气管21的高度要低于托盘沿的高度，导气管21的数量和导气管21的孔径可以根据载气的输送速度要求进行设置，可以设置一根导气管21，也可以设置两根或更多根的导气管21，在本实施例中，在第1-3层托盘2内都设有一根导气管21，导气管21设置在靠近出气口13的一侧位置。

在本实施例中，在固态源气化装置外部经过加热的载气从进气口12进入载气管3内，并通过载气管3上的载气出口33分别进入各层托盘2内，进入托盘2内的载气沿着托盘2内的固态物料的表面移动至导气管21所在的位置，在此过程中，能携带大量的固态源蒸气，提高混合气体中的蒸气的含量，进而提高固态源物质的挥发效率，因为各层的导气管正对，所以从下层托盘内通过导气管进入上层托盘内的混合气体会快速到达更上层的托盘内，混合气体的传输速度较快。

实施例2

如图2a-2d所示的一种固态源气化装置，在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，在第1-3层托盘2内，导气管21的设计位置位于远离载气管3的位置，而且相邻的托盘2内的导气管21错开一定距离设置，而且各层托盘2内，导气管21的位置都与出气口13错开一定距离设置。如附图2a-2d所示，在壳体1内共设有四层托盘2，第四层托盘内没有导气管，在第一层和第三层托盘2内的导气管21设计在出气口13附近，且偏后侧的位置，在第二层托盘2内的导气管21设计在出气口13附近，且偏前侧的位置。

在本实施例中，载气从进气口12进入载气管3内，并通过载气管3上的载气出口分别进入各层托盘2内，进入托盘2内的载气沿着托盘2内的固态物料的表面移动至导气管21所在的位置，在此过程中，能携带大量的固态源蒸气，提高混合气体中的蒸气的含量，进而提高固态源物质的挥发效率，因为相邻的托盘2内的导气管21错开一定距离设置，而且各层托盘2内，导气管21的位置都与出气口13错开一定距离设置，所以从下层托盘2经过导气管21进入上层托盘2内的混合气体，要经过一段距离才能再到达上一层托盘2的导气管21，因而，增加了各层混合气体的混合距离，能使输出的混合气体混合的更均匀。

实施例3

如附图3a-3d所示的一种固态源气化装置，在前面实施例1的基础上，与前述的实施例1不同的是，在除最底层的托盘外的各层托盘2中，都设有多个导气管21，导气管21位于远离载气管的位置。

在本实施例中，载气在固态源气化装置外部加热后，从进气口12进入到载气管3中，并通过载气管3上的各个载气出口33分别进入各层托盘2内，载气在各层托盘2内沿着托盘2内固态源物质的表面传输至上一层托盘2的导气管21的位置，在气体传输过程中，能携带大量的固态源蒸气，提高混合气体中的蒸气的含量，进而提高固态源物质的挥发效率。因为在第一层到第三层托盘内都设置了多个导气管21，因而能加快混合气体的上升速度，提高挥发气体的传输效率。

实施例4

如附图4a-4d所示的一种固态源气化装置，在前面实施例1的基础上，与实施例1不同的是，在最底层托盘的下方设有空腔14，载气管有两根，分别命名为第一载气管31和第二载气管32，第一载气管31上不设有载气出口或设有出气开口，第一载气管31从进气口12延伸至最底层托盘2下方的空腔14内，除最底层的托盘2外，其余托盘2上都设有导气管21，且相邻的托盘2内的导气管21错开一定距离设置。第二载气管32穿过除最上层托盘2外的其余各层托盘2，第二载气管32上设有载气出口33，导气管21和第二载气管32的设计位置可以根据需要来进行设计，作为优选的实施方式，导气管21可以设计在远离第二载气管32的位置，例如导气管21设计在第一载气管31附近，而第二载气管32设计在远离导气管21的位置，或者第二载气管32设计在靠近第一载气管31的位置，而导气管21设计在远离第二载气管32的位置，或者是其他导气管21与第二载气管32相远离的方案。

如图4a-4d所示，在本实施例中，在壳体1内共设有四层托盘2，第四层托盘内没有导气管，在第一层和第三层托盘内的导气管21设计在第一载气管附近，且偏后侧的位置，在第二层托盘内的导气管21设计在第一载气管附近，且偏前侧的位置。

在本实施例中，载气从进气口12经过第一载气管31传输至第四层托盘下方的空腔14内，在空腔14内，载气传输至第二载气管32的下端开口位置，然后进入第二载气管32，并通过第二载气管32上升，通过第二载气管32上的各个载气出口33分别进入第四层至第二层托盘2，载气在托盘2内的固态物质表面传输，到达导气管21的位置时，通过导气管21到达上一层托盘2内，因为从第一层托盘至第三层托盘，相邻的托盘2内的导气管21错开一定的距离设置，所以混合气从导气管21上升后，要经过一段传输距离才能再次上升到上一层托盘2内，所以增加了气体的混合距离，能使气体混合得更均匀，因为第二载气管32不直接进入第一层托盘2内，因而载气和挥发气体经历了第二层托盘内的混合，才能通过第一层托盘2内的导气管21进入第一层托盘内，因而能使混合气体的混合更均匀。

实施例5

如附图5a-5d所示的一种固态源气化装置，在实施例4的基础上，与实施例4不同的是，在第一层托盘至第三层托盘内都设有多个导气管21，导气管21分布在第一载气管31的附近。

在本实施例中，载气从进气口12经过第一载气管31传输至最底层托盘下方的空腔14内，在空腔14内，载气从第二载气管32的下端开口进入第二载气管32，并通过第二载气管32上升，通过第二载气管32上的各个载气出口33分别进入第四至第二层托盘2，进入各层托盘2后，载气在托盘2内的固态物质表面传输，到达导气管21的位置时，通过导气管21到达上一层托盘内，因为从第一层托盘至第三层托盘内，都设有多个导气管21，因而能加快混合气体的上升速度，提高气化气体的传输效率。

实施例6

如图6a-6c所示的一种固态源气化装置，在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，进气口12设计在壳体1的底部，载气管3从进气口12从下向上依次穿过各层托盘，载气管3的上端不开口，在载气管3上设有载气出口33，载气出口33设置在与除最上层托盘2外的其余各层托盘2内部空腔对应的位置。

在本实施例中，在固态源气化装置外部经过加热的载气从壳体的底部的进气口12进入载气管3内，并通过载气管3上的载气出口33分别进入除最上层各层托盘2内，进入托盘2内的载气沿着托盘2内的固态物料的表面移动至导气管所在的位置，在此过程中，能携带大量的蒸气，提高混合气体中的蒸气的含量，进而提高固态源物质的气化效率，因为各层的导气管正对，所以从下层托盘内通过导气管进入上层托盘内的混合气体会快速到达更上层的托盘内，混合气体的传输速度较快。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。