蓮蓬頭裡為什麼需要5,000個洞?

我們家浴室裡大概都有蓮蓬頭,蓮蓬頭是用來灑水的,可是在很多工業用的儀器中也會有蓮蓬頭,這些蓮蓬頭當然不是灑水,而是噴出氣體。我今天要介紹的就是MOCVD中所要用的一種蓮蓬頭,至於MOCVD是什麼,以後再談。大家只要知道一件事,那就是在製造LED的時候,我們需要用到這種MOCVD的儀器。它的用途是鍍膜,而且是非常薄的膜。

photo credit: ITRI

 

這個蓮蓬頭當然是圓形的,直徑約是50cm,上面有5000多個孔,我們可以說這個蓮蓬頭有三塊板,如圖一所示。

圖一

這個蓮蓬頭要噴出兩種氣體,從上圖我們可以看出氣體A從上板噴進去,氣體B從中板的上部噴進去,最後和氣體A混合噴出。因為整個蓮蓬頭所遭遇到的溫度是1000度C左右,所以需要冷卻。圖一可以看出,要在中板和下板之間輸入水來冷卻這個蓮蓬頭。

蓮蓬頭的上板和下板都有5000多個孔,上板和下板是分開來做的,所以最後我們要將它們上下對齊。如何能做到上下對齊呢?請看下圖。

圖二

 

上板和下板都有6個孔,這些孔是在MOCVD工作時用來檢驗用的,因為要保證MOCVD在正常運作,所以會有很多的事情需要偵測,因此就事先準備好6個比較大的孔。這6個孔正好可以被用來做上板和下板的對齊,每一個孔其實又有一個管子,如果有三根管子上下對齊了,其實其他所有的管子也都對齊了,這是根據幾何學的一個原理。

要設計這麽一個蓮蓬頭,我們事先要知道這個蓮蓬頭有一些規格:

  1.  蓮蓬頭最後所製成的膜,絕對要非常地均勻,而且每一層厚度要保持在1~2um(1um是一百萬分之一米)。
  2. 蓮蓬頭中間是真空的,在操作的時候也要能保持絕對的真空,不能有任何的空氣流入。真空的規格是每秒鐘單位體積內,只能有十億分之一的氣體。至於水,那是絕對不可以流出的。氣體中如果含有水,會是一個大災難。
  3. 上板和下板在打洞的過程中必須絕對地平,不得有扭曲的現象。

 

現在我們看工程師是如何克服這些困難的。

  1. 蓮蓬頭管子的大小以及管子的數目都要通過一個軟體的模擬,因為要製作這麽一個蓮蓬頭需要花費很多的時間和經費,不能夠一試再試,所以我們的工程師自行寫了一個模擬的軟體,可以事先知道這個蓮蓬頭究竟能不能用。當然這個軟體是要利用所有在大學中所學到的學問才能做出來的,我們可以說我們的機械業已經不是完全靠黑手,而要相當依靠各種的力學。
  2. 要維持蓮蓬頭不漏,就要用非常講究的焊接技術。工程師所用的是真空焊接,真空焊接的焊料和溫度等等,都是客製化的,如果工程師對焊接不了解的話,也做不出蓮蓬頭來。
  3. 要打五千多個洞,可以想見的是,不能一直在某一個地方打,所以工程師事先必須設計好打洞的次序,你在右邊打了一些洞以後就要到左邊去打洞,而且要注意刀具的問題,工具機的刀具其實是消耗品,選擇什麼樣的刀具也是極有學問的。什麼時候該換刀具,也是事先要搞清楚的。最後還有一種整形的技術,因為板子不能避免總有一些小問題,這些小問題的解決要靠一種整形的技術。

這個蓮蓬頭是MOCVD內部的重要零組件,MOCVD是半導體工業上的昂貴儀器,這種蓮蓬頭是買不到的,所有能製造這種蓮蓬頭的國家都禁止出口,我們國家要製造MOCVD,就必須要能夠自己製造這種精密零組件。我們的工程師已經將這個零組件裝在一架MOCVD上,而且性能表現得非常好。整個研發的過程長達五年之久,相當不容易的事。

 

 

(本文經李家同教授同意授權轉載「MOCVD的蓮蓬頭」)

 

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