CN102465277A - 逆径向式mocvd反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种逆径向式金属有机化学气相沉积(MOCVD)反应器，包括：反应室、环形石墨盘、进气口、氢化物气流引导结构、金属有机物气流引导结构、出气口和加热系统；其中，环形石墨盘位于反应室内壁下表面，其上设有承载槽；进气口位于反应室顶部，包括氢化物气源入口和金属有机物气源入口；氢化物气流引导结构和金属有机物气流引导结构位于反应室内部分别与氢化物气源入口和金属有机物气源入口连接，将氢化物气源和金属有机物气源分别引导至环形石墨盘外侧表面；出气口位于环形石墨盘内侧中心位置；加热系统位于环形石墨盘背面。该逆径向式MOCVD反应器，一方面可提高反应气体的利用效率，减少维护成本，另一方面可大大提高产品一致性。

Description

逆径向式MOCVD反应器
技术领域
本发明涉及一种半导体薄膜沉积设备，特别涉及一种逆径向式金属有机化学气相沉积(MOCVD)反应器。
背景技术
以GaN为代表的新一代半导体材料以其宽直接带隙(Eg＝3.4eV)、高热导率、高硬度、高化学稳定性、低介电常数、抗辐射等特点获得了人们的广泛关注，在固态照明、固体激光器、光信息存储、紫外探测器等领域都有巨大的应用潜力。按中国2002年的用电情况计算，如果采用固态照明替代传统光源，一年可以省下三峡水电站的发电量，有着巨大的经济、环境和社会效益。在光信息存储方面，以GaN为基础的固体蓝光激光器可大幅度提高光存储密度。正因为这些优点，GaN及其合金被寄予厚望。高亮度InGaN/GaN量子阱结构LEDs已经商品化。
目前商用GaN薄膜及其器件和红黄光LED外延生长基本采用金属有机化学气相沉积(MOCVD，metal-organic chemical vapor deposition)系统。金属有机化学气相沉积是制备化合物半导体薄膜的一项关键技术，它利用较易挥发的有机物作为较难挥发的金属原子的源反应物(MO源)，通过载气携带到反应室内，与氢化物(hydride)反应，在加热的基片上生成GaN等薄膜。MOCVD系统一般包括：源供给系统、气体输运系统、反应室、加热系统、尾气处理系统、控制系统、晶片取放系统等。通常MOCVD反应器一般包括反应室、加热系统，以及进气口和出气口等。
随着半导体照明市场和技术的发展，MOCVD设备也跟着同步发展，可以说，MOCVD设备是整个半导体照明产业最为核心的设备。目前世界上主流的MOCVD系统分为三种，其一为aixtron公司的行星式系统，其二为aixtron公司的showerhead系统，其三为美国Veeco公司的TurboDisc系统。到目前为止，我们国家尚无法生产可以商业化的MOCVD设备，关键技术为国外供应商所垄断，如何突破国外公司的专利封锁和垄断，开发具有自主知识产权的国产MOCVD设备，成为越来越多的有识之士关注的焦点。本专利即从突破国外专利封锁的角度，提供了一种新型MOCVD设备的设计方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种逆径向式金属有机化学气相沉积(MOCVD)反应器。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种逆径向式MOCVD反应器，包括：
反应室、环形石墨盘、进气口、氢化物气流引导结构、金属有机物气流引导结构、出气口和加热系统；
所述环形石墨盘位于反应室内壁下表面，所述环形石墨盘上设有承载槽；
所述进气口位于反应室顶部，包括氢化物气源入口和金属有机物气源入口；
所述氢化物气流引导结构和金属有机物气流引导结构位于反应室内部分别与所述氢化物气源入口和金属有机物气源入口连接，将氢化物气源和金属有机物气源分别引导至所述环形石墨盘的外侧表面；
所述出气口位于反应室内壁下表面所述环形石墨盘内侧的中心位置；
所述加热系统位于所述环形石墨盘的背面。
作为本发明的优选方案，所述进气口位于反应室顶部的中心位置。
作为本发明的优选方案，所述进气口的横截面为两层同心圆环结构，由内到外依次为环形的氢化物气源入口和环形的金属有机物气源入口。
作为本发明的优选方案，所述进气口中的氢化物气源入口与金属有机物气源入口的面积比为1∶1。
作为本发明的优选方案，所述氢化物气流引导结构和金属有机物气流引导结构分别设有平行于所述环形石墨盘的出口，且所述氢化物气流引导结构的出口位于金属有机物气流引导结构的出口之上。
作为本发明的优选方案，所述环形墨盘上设有以所述出气口呈中心对称的多个承载槽。
作为本发明的优选方案，所述加热系统为灯丝加热系统。
本发明的有益效果在于：
1)本发明的逆径向式MOCVD反应器设有气流引导结构，可使注入气体流向由外而内引导至石墨盘表面，反应气体一直到石墨盘表面才可以接触，这样可以充分减少气相预反应，有效提高气源利用率，降低生产成本；此外，该气流引导结构在减少气相预反应的同时也能够帮助减少反应室上盖的沉积物，从而可以提高设备使用率，减少维护成本；
2)本发明的逆径向式MOCVD反应器的尾气出口设置在整个反应室中央的下方；尾气管路设置在中心，可以让气流更加均匀，有助于提高产品的一致性。
附图说明
图1是本发明实施例中逆径向式MOCVD反应器的结构示意图。
图2是本发明实施例中进气口的横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便附图并未按照比例绘制。
参见图1，本实施例中提供一种逆径向式MOCVD反应器，包括：反应室1、环形石墨盘2、进气口3、氢化物气流引导结构4、金属有机物气流引导结构5、出气口6和加热系统7。
所述环形石墨盘2位于反应室1内壁下表面，所述环形石墨盘2上设有承载槽21；承载槽21用于承载衬底8，各气源可在反应室1内反应，从而可在衬底8上生长所需薄膜。
所述进气口3位于反应室1的顶部，本实施例优选地位于反应室1顶部的中心位置。其中，所述进气口3包括氢化物气源入口和金属有机物气源入口。
如图2所示，本实施例优选地，进气口3的横截面为两层同心圆环结构，由内到外依次为环形的氢化物气源入口31和环形的金属有机物气源入口32。环形的氢化物气源入口31与环形的金属有机物气源入口32的面积比为1∶1，这样可以保证气流流速稳定。
所述氢化物气流引导结构4和金属有机物气流引导结构5位于反应室1内部，分别与所述氢化物气源入口31和金属有机物气源入口32连接，将氢化物气源(hydride)和金属有机物气源(MO)分别引导至所述环形石墨盘2的外侧表面。所述出气口6位于反应室1内壁下表面的所述环形石墨盘2内侧的中心位置。这样各气源可以由外向内流动并在所述环形石墨盘2表面反应，而后由出气口6排出，有助于提高产品的一致性。优选地，所述氢化物气流引导结构4和金属有机物气流引导结构5分别设有平行于所述环形石墨盘2的出口，且所述氢化物气流引导结构4的出口位于金属有机物气流引导结构5的出口之上。其中，氢化物气源(hydride)和金属有机物气源(MO)的气体流向在图1中分别用虚线箭头和实线箭头表示。
所述加热系统7位于所述环形石墨盘2的背面。本实施例中的加热系统7采用灯丝加热系统，可用于控制环形石墨盘2的温度，从而控制生长衬底8的温度。
本实施例优选地，在所述环形石墨盘2上可以设有以所述出气口6呈中心对称的多个承载槽21，例如可以是两个、三个或更多。这样可同时制备多个薄膜样品，提高生产效率。
该逆径向式MOCVD反应器工作时，反应气体从反应室中央注入，由于进气口采用两层同心圆环结构，使注入气源从内到外分别为氢化物气源(hydride)和金属有机物气源(MO)；进气口连接的气流引导结构使反应气体相互隔离，经过管道的引导到达石墨盘表面承载槽外侧；加热系统让石墨盘加热到一定高温，气源被由外至内平行的引导到承载槽上的衬底表面进行反应，反应之后的尾气经中央的出气口排出。
由此可见，本发明的逆径向式MOCVD反应器，由于设有两层圆环结构的进气口、气流引导结构及位于中央的出气口，使反应气体流向由外而内，并在反应之前互相隔离。因此，可提高反应气体的利用效率，减少维护成本；并可大大提高薄膜产品的一致性。
本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。

Claims (7)

1.一种逆径向式MOCVD反应器，其特征在于，包括：
反应室、环形石墨盘、进气口、氢化物气流引导结构、金属有机物气流引导结构、出气口和加热系统；
所述环形石墨盘位于反应室内壁下表面，所述环形石墨盘上设有承载槽；
所述进气口位于反应室顶部，包括氢化物气源入口和金属有机物气源入口；
所述氢化物气流引导结构和金属有机物气流引导结构位于反应室内部分别与所述氢化物气源入口和金属有机物气源入口连接，将氢化物气源和金属有机物气源分别引导至所述环形石墨盘的外侧表面；
所述出气口位于反应室内壁下表面所述环形石墨盘内侧的中心位置；
所述加热系统位于所述环形石墨盘的背面。
2.根据权利要求1所述一种逆径向式MOCVD反应器，其特征在于：所述进气口位于反应室顶部的中心位置。
3.根据权利要求1所述一种逆径向式MOCVD反应器，其特征在于：所述进气口的横截面为两层同心圆环结构，由内到外依次为环形的氢化物气源入口和环形的金属有机物气源入口。
4.根据权利要求1所述一种逆径向式MOCVD反应器，其特征在于：所述进气口中的氢化物气源入口与金属有机物气源入口的面积比为1∶1。
5.根据权利要求1所述一种逆径向式MOCVD反应器，其特征在于：所述氢化物气流引导结构和金属有机物气流引导结构分别设有平行于所述环形石墨盘的出口，且所述氢化物气流引导结构的出口位于金属有机物气流引导结构的出口之上。
6.根据权利要求1所述一种逆径向式MOCVD反应器，其特征在于：所述环形墨盘上设有以所述出气口呈中心对称的多个承载槽。
7.根据权利要求1所述一种逆径向式MOCVD反应器，其特征在于：所述加热系统为灯丝加热系统。
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