CN102121098A

CN102121098A - 一种外加热方式的金属有机化学气相沉积系统反应腔

Info

Publication number: CN102121098A
Application number: CN2010100226457A
Authority: CN
Inventors: 陈国荣; 莫晓亮; 刘晓萌; 龚大卫
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2011-07-13

Abstract

本发明涉及一种外加热方式的金属有机化学气相沉积系统反应腔，其为双层结构，外层是石英保护腔外筒，内层是石英反应腔内筒，摆放基片的衬底托盘安装在反应腔内筒腔内，双重保护确保基片反应时不受外界环境影响，保证高纯和化学、物理稳定的要求；本发明反应腔的衬底托盘由旋转轴支撑，并通过旋转轴与衬底托盘旋转机构联接，工作时衬底托盘可主动旋转，有效提高了薄膜组分和厚度的均匀性。本发明采用在反应腔外设置加热体的方法，大大简化了反应腔和加热体的结构，降低了设备成本；同时外置的加热体避免了加热组件对反应腔的污染；加热器相对反应腔中的衬底能够作相对位置移动，在反应过程中或结束时能够简单快速地改变基板温度。

Description

一种外加热方式的金属有机化学气相沉积系统反应腔

技术领域

本发明属金属有机化学气相沉积系统技术领域，涉及一种采用外加热方式的金属有机化学气相沉积系统(MOCVD)反应腔。

背景技术

氮化镓材料已经在制备蓝光激光器和半导体照明的发光二极管(LED)等方面获得大规模应用，其中金属有机化学气相沉积系统(MOCVD)是必不可少的关键设备。除此之外，MOCVD系统也是研发世界先进水平的S、C、X、K和Q等波段的氮化镓大功率电子器件和高压大功率固体开关器件、高端激光器件及特高效率太阳电池(效率可达40％以上)等光电子器件的不可或缺的基本手段。长期以来MOCVD设备依赖进口，价格昂贵，不仅耗费大量财力，而且导致半导体光源价格居于高位，不利推广；由于不掌握关键设备技术，反过来极大地制约了材料技术和器件性能的提高，制约了我国光电子产业的进一步发展，也成了发展我国高端光电子器件的瓶颈。更有甚者，即使进口也受到许多限制，例如一些高技术含量的设备的进口就有许多限制甚至根本不卖给中国。这就要求科技人员能自己掌握MOCVD设备特别是反应室的设计与制造技术，从而密切配合器件设计和工艺技术人员共同攻关，否则难有作为。

一方面MOCVD设备的国产化本身对光电子产业的降低成本、推广半导体照明应用等至关紧要；另一方面，要制备高端光电子器件不掌握设备制造技术就根本寸步难行。目前常用的MOCVD反应腔设计存在以下一些缺点：①加热体处于反应腔之中，这样大大缩短了昂贵的加热部件的使用寿命；同时也使加热部件成为潜在的污染源；此外对加热部件的材料要求很高，需用特种材料，价格昂贵。②基片的温度通过调节加热器的功率来控制，基片温度反应慢，在多层界面陡峭薄膜生长中，通常需要快速的温度切换，对成膜是不利。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种外加热MOCVD反应腔与相应的加热体升降机构，使加热体与反应气体完全不接触，避免了加热组件对反应腔的污染，同时对加热部件的材质几乎无特殊要求。

具体而言，本发明的一种外加热方式的MOCVD反应腔，其特征在于，包括密闭的石英反应腔体、石英衬底托盘、惰性保护气体喷头、反应气体喷头和加热体。

所述石英反应腔体为双层结构，外层是石英保护腔外筒，内层是石英反应腔内筒，所述衬底托盘安装在反应腔内筒腔内；保护腔外筒呈筒状，上下端采用不锈钢法兰密闭，并配以水冷装置；保护腔外筒内置惰性保护气体喷头；反应腔内筒分为上下两部分，呈喇叭状相向对扣，通过磨砂口嵌套连接，将衬底托盘包含其中；反应腔内筒喇叭口部分直径比衬底托盘直径稍大，其它部分的腔体设计为细管；反应腔内筒的上部细管内套一根管道，内外管道均开口向下，正对其下方的衬底托盘，所述内外管道分别与两种反应气体入口相通；反应腔内筒的下部细管内套衬底托盘的旋转轴，并与排气口相通。

所述反应腔外筒和石英腔内筒之间、衬底托盘的上、下方设置了热反射隔层和绝热材料。

所述加热体呈环状套在反应腔外筒的外侧，加热体安装在具有升降机构的基座上，可沿着反应腔外筒上下移动。

所述衬底托盘摆放待加工基片，衬底托盘由旋转轴支撑，并通过旋转轴与衬底托盘旋转机构联接。

本发明外加热方式的MOCVD反应腔具有以下优点：

1.与加热体在反应腔中的MOCVD装置相比，本发明加热体在石英反应腔之外，薄膜生长时，加热组件与反应气体完全不接触，避免了加热组件对反应腔的污染；同时对加热部件几乎无特殊要求。例如，使用常规的加热炉体即可保证在反应所在区域中的温度均匀一致。

2.加热体相对与反应腔体与衬底托盘位置能够发生相对移动，基片可快速转移至不同的等温度区域，这样基片的温度能够快速切换。反应结束后基片能快速脱离反应所需的高温区。相对与传统的通过调节加热功率来控制基板温度的方式，本发明所用的方式更加简便与快捷。

3.本发明的MOCVD装置的衬底托盘在薄膜生长的同时可以通过外部的机械传动旋转，提高了薄膜组分和厚度的均匀性。

4.内层腔体分为上下两部分，通过磨砂口连接。所有反应腔与内部构件都用高纯石英制作，减少了对薄膜的污染。

5.本发明特殊的反应气体喷头配置，使反应气体在衬底托盘附近混合后，通过内层石英反应腔体中的喷头，以层流的方式从中心向四周流动。在反应气体到底衬底前不混合，减少了预反应，提高了气体利用率以及薄膜的质量。

6.石英反应腔的内层上下用热反射板或隔热材料分隔，使衬底托盘附近的温度更加均匀一致。

7.整个内反应腔结构设计使得内表面积很小，大大减少了反应气体在基板外内表面的沉积面积。

附图说明

图1为本发明外加热方式的MOCVD反应腔反应时的结构示意图；

图2为本发明外加热方式的MOCVD反应腔反应结束后加热体与反应腔以及衬底托盘间的相对位置图。

图中标号：1、惰性保护气体入口；2、反应气体入口；3、上法兰；4、石英保护腔外筒；5、热反射隔层或绝热材料；6、石英反应腔内筒上部兼反应气体喷头一部分；7、反应气体混合区；8、基片；9、外部加热体；10、衬底托盘；11、石英反应腔内筒下部；12、下法兰；13、排气口；14、外部加热体支撑件；15、衬底托盘旋转机构；16、外部加热体升降机构。

具体实施方式

实施例1

本发明外加热方式的MOCVD反应腔的内部结构如图1所示，它包括石英保护腔外筒(4)和石英反应腔内筒(6、11)及其上下法兰(3、12)、外部加热体(9)及其升降机构(14、16)、衬底托盘(10)及其旋转机构(15)、热反射隔层或绝热材料(5)、惰性保护气体入口(1)、两种反应气体入口(2)和排气口(13)。

本发明反应腔体为双层结构，外层是石英保护腔外筒，内层是石英反应腔内筒，摆放基片(8)的衬底托盘安装在反应腔内筒腔内。

保护腔外筒呈筒状，上下端采用不锈钢法兰密闭，并配以水冷装置；保护腔外筒内置惰性保护气体入口，工作时腔内充满惰性保护气体，确保基片反应时不受环境影响。

反应腔内筒分为上下两部分，呈喇叭状相向对扣，通过磨砂口嵌套连接，使得内层腔体中的反应气体很难泄漏到外层腔体；反应腔内筒喇叭口部分直径比衬底托盘直径稍大，将衬底托盘包含其中；其它部分的腔体设计为细管；反应腔内筒的上部细管内套一根管道，内外管道均开口向下，正对其下方的衬底托盘，内外管道的上端分别与两种反应气体入口相通，基片反应时，两种反应气体分别从内外管道喷出，在衬底托盘上方的反应气体混合区(7)相遇反应，充分提高反应气体的利用率，同时反应腔内筒的细管设计，也使得反应气体在内层反应腔上的沉积面积减少；反应腔内筒的下部细管内套衬底托盘旋转轴，并与排气口相通。

所述反应腔外筒和石英腔内筒之间、衬底托盘的上、下方设置了热反射隔层和绝热材料隔离，使衬底托盘附近的温度更加均匀并且减少反应气体在衬底托盘附近以外的腔体内壁上沉积。

所述加热体呈环状套在反应腔外筒的外侧，加热体安装在具有升降机构的基座上，可沿着反应腔外筒上下移动。这样在薄膜生长时，加热体在石英反应腔之外。加热组件与反应气体完全不接触，避免了加热组件对反应腔的污染。同时对加热部件的材质几乎无特殊要求；此外在反应过程中，基片可快速转移至不同的等温度区域(如图2所示)，这样基片的温度能够快速切换，反应结束后基片能快速脱离反应所需的高温区位置。

所述衬底托盘摆放待加工基片，托盘由高纯石英制成。由于本发明的外加热特点，衬底附近的温度都是一致的，因此可克服热浮力问题，同时提高生产效率和气体利用率。衬底托盘由旋转轴支撑，并通过旋转轴与基片旋转机构联接，工作时衬底托盘可主动旋转，有效提高了薄膜组分和厚度的均匀性。

本发明MOCVD反应腔的具体工作过程如下：

1.以图1的示意图为例，在薄膜生长之前，关闭惰性保护气体入口(1)与反应气体入口(2)。打开上法兰(3)，同时取出上部的热辐射隔层或绝热材料(5)与石英反应腔内层(6)。

2.取出衬底托盘(10)。在衬底托盘上放置光基片(8)。

3.放回衬底托盘(10)。放回上部的热辐射隔层或绝热材料(5)与石英反应腔内层(6)。

4.通过排气口(13)对反应腔抽真空，保证腔体中无残余气体和灰尘等的影响。

5.外部加热体(9)加热直到基板达到第一层薄膜生长所需的温度。

6.打开惰性气体导入口(1)，打开反应气体导入口(2)，反应气体在位置(7)处混合，由于喷头(6)与衬底托盘(10)的共同作用，混合后的反应气体以层流的方式从中心向四周流过基片表面。在高温下反应后，薄膜沉积到基片上。

7.第一层薄膜达到所需厚度时，关闭反应气体导入口(2)，通过加热体升降机构(16)将外部加热体(9)升高或降低，如图2，本例中为外部加热体(9)升高，而反应腔体维持不动。另外也可以使外部加热体(9)降低。使基片快速处于生长第二层薄膜所需的反应温度区域。(外部加热体保持不动，而反应腔体相对其运动也是可以的。)

8.打开反应气体导入口(2)，导入生长第二层薄膜所需的反应气体。

9.第二层薄膜达到所需薄厚后，关闭反应气体导入口(2)，如步骤7类似，改变外部加热体(9)与衬底托盘的相对位置。

10.重复7～9的步骤，直至达到所需生长的薄膜层数为止。

11.反应结束。关闭反应气体导入口(2)。改变外部加热体(9)与衬底托盘相对位置，使衬底托盘(10)处于最低的温度位置。关闭外部加热体(9)的电源。反应腔冷却后，关闭惰性保护气体导入口(1)。

12.打开上法兰(3)，同时取出上部的热辐射隔层或绝热材料(5)与石英反应腔内层(6)。取出衬底托盘(10)。取出衬底托盘上放置的基片(8)。

Claims

1.一种外加热方式的金属有机化学气相沉积系统反应腔，包括密闭的石英反应腔体、衬底托盘、惰性保护气体喷头、反应气体喷头和加热体，其特征在于，

a.所述石英反应腔体为双层结构，外层是石英保护腔外筒，内层是石英反应腔内筒，所述衬底托盘安装在反应腔内筒腔内；

b.所述反应腔外筒和石英腔内筒之间、衬底托盘的上、下方设置热反射隔层和绝热材料；

c.所述加热体呈环状套在反应腔外筒的外侧，加热体安装在具有升降机构的基座上，沿反应腔外筒上下移动；

d.所述衬底托盘摆放待加工基片，衬底托盘由旋转轴支撑，并通过旋转轴与衬底托盘旋转机构联接。

2.按权利要求1所述的外加热方式的金属有机化学气相沉积系统反应腔，其特征在于，所述的保护腔外筒呈筒状，上下端采用不锈钢法兰密闭，并配以水冷装置。

3.按权利要求1所述的外加热方式的金属有机化学气相沉积系统反应腔，其特征在于，所述的保护腔外筒内置惰性保护气体喷头。

4.按权利要求1所述的外加热方式的金属有机化学气相沉积系统反应腔，其特征在于，所述的反应腔内筒分为上下两部分，呈喇叭状相向对扣，通过磨砂口嵌套连接，将衬底托盘包含其中。

5.按权利要求4所述的外加热方式的金属有机化学气相沉积系统反应腔，其特征在于，所述的反应腔内筒喇叭口部分直径比衬底托盘直径大，其它部分的腔体为细管。

6.按权利要求5所述的外加热方式的金属有机化学气相沉积系统反应腔，其特征在于，所述的反应腔内筒的上部细管内套一根管道，内外管道均开口向下，正对其下方的衬底托盘，所述内外管道分别与两种反应气体入口相通；反应腔内筒的下部细管内套衬底托盘的旋转轴，并与排气口相通。