CN103451621B - Mocvd反应腔及工艺设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MOCVD反应腔及工艺设备。该MOCVD反应腔包括腔体、托盘、中央进气装置、外部加热装置和内部加热装置，所述中央进气装置位于所述腔体内部的中间位置，所述托盘位于所述腔体内部且设置于所述中央进气装置的周围，所述外部加热装置位于所述腔体的外部，所述内部加热装置位于所述中央进气装置的内部；所述托盘，用于承载衬底；所述中央进气装置，用于向所述腔体通入反应气体；所述外部加热装置，用于对所述托盘进行加热；所述内部加热装置，用于对所述托盘进行加热。本发明降低了反应气体发生预反应的机率，并且使得反应气体可形成稳定的反应气体流场。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种MOCVD反应腔及工艺设备。
背景技术
金属有机化合物化学气相淀积(Metal-organicChemicalVaporDeposition，以下简称：MOCVD)技术是在1968年由美国洛克威尔公司的Manasevit等人提出来的用于制备化合物半导体薄片单晶的一项新技术。
MOCVD技术是在气相外延生长(VaporPhaseEpitaxy，以下简称：VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。该MOCVD技术以III族、II族元素的有机化合物和V、VI族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种III-V族、II-VI族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。在MOCVD反应腔中，MOCVD生长机构及其复杂生长过程涉及输运和多组分、多相的化学反应。图1为MOCVD生长过程示意图，如图1所示，氢气作为载气携带MO源和氢化物等反应剂进入反应腔，随着气体流向热基座上加热的衬底，气体的温度逐渐升高，在气相中可能会发生如下气相反应：金属有机化合物与非金属氢化物或有机化合物之间形成加合物，当温度进一步升高时MO源和氢化物及加合物逐步加热分解甚至气相成核。气相中反应品种扩散至衬底表面后首先吸附到表面，然后吸附的品种会在表面迁移并继续发生反应，最终并入晶格形成外延层。衬底表面反应的副产物从生长表面脱附即：解吸，并通过扩散，再回到主气流，被载气带出反应室。
目前，MOCVD反应腔通常采用感应线圈加热方式对放置衬底的托盘进行加热。MOCVD反应腔包括腔体和位于腔体内部的多个托盘，每个托盘上可放置多个衬底，腔体的外部设置有外部加热线圈，腔体内部的中心位置设置有用于向腔体内部通入反应气体的中央进气装置，中央进气装置的外侧设置有内部加热线圈，外部加热线圈和内部加热线圈共同对托盘进行加热。
但是，当采用感应线圈加热方式时，内部加热线圈通入中频交流电(1KHZ～20KHZ)后产生的磁场对中央进气装置产生加热的作用，使中央进气装置中的工艺气体产生预反应，对工艺产生不良影响。为了避免这个问题，技术人员考虑在内部线圈与进气装置之间添加磁场屏蔽层，该磁场屏蔽层需使用高磁导率材料制成，例如软铁、硅钢、坡莫合金等，可独立安装也可与进气装置一体安装。但是，(1)由于中央进气装置外围存在电感线圈和磁场屏蔽层使反应气体流向反应区的过程中受到阻碍，增加预反应发生，不易获得稳定的反应气体流场从而难以生产质量较好的沉积薄膜。(2)内部加热线圈的存在使得加热托盘的径向温度均匀性提高，但是内外线圈独立控制给反应腔内部的温度精确控制带来难度，工程上不易实现温度的准确控制，难以满足工艺需求。
发明内容
本发明提供一种MOCVD反应腔及工艺设备，针对MOCVD立式多层托盘电感加热的特点，一方面使反应气体从中央进气装置到反应区形成稳定的气体流场；另一方面独立控制外部加热装置及内部加热装置的功率，相互补偿调节托盘温度，精确控制腔体内部温度和提高加热托盘温度的均匀性。
为实现上述目的，本发明提供了一种MOCVD反应腔，包括：腔体、托盘、中央进气装置、外部加热装置和内部加热装置，所述中央进气装置位于所述腔体内部的中间位置，所述托盘位于所述腔体内部且设置于所述中央进气装置的周围，所述外部加热装置位于所述腔体的外部，所述内部加热装置位于所述中央进气装置的内部；
所述托盘，用于承载衬底；
所述中央进气装置，用于向所述腔体通入反应气体；
所述外部加热装置，用于对所述托盘进行加热；
所述内部加热装置，用于对所述托盘进行加热。
可选地，所述中央进气装置包括外壁和内壁，所述内壁围成一内部空间，所述内部加热装置位于所述内壁围成的内部空间之中，所述外壁和内壁之间形成有进气通道，所述外壁上开设有若干进气口，所述进气通道内的反应气体通过所述进气口进入所述腔体。
可选地，所述外壁为筒状结构，所述内壁为筒状结构。
可选地，所述进气口包括：通孔或者狭缝。
可选地，所述内壁与所述内部加热装置之间设置有冷却系统，所述冷却系统用于对所述进气通道内的反应气体进行冷却。
可选地，所述MOCVD反应腔还包括第一测温装置和第二测温装置，所述第一测温装置用于测量出第一控温点的温度，所述第二测温装置用于测量出第二控温点的温度，比较第一温控点和第二温控点的温度，并根据比较结果调整外部加热装置和内部加热装置的输出功率，以使第一控温点的温度和第二控温点的温度的差值在预定差值范围之内；所述第一控温点位于所述托盘上指定衬底的靠近所述外部加热装置的一端，所述第二控温点位于所述托盘上指定衬底的靠近所述内部加热装置的一端。
可选地，所述MOCVD反应腔还包括：PID温度控制器；
所述PID温度控制器，用于根据比较所述第一设定温度和所述第一温控点的温度并根据比较结果调整所述外部加热装置的输出功率，以及比较所述第二设定温度和所述第二温控点的温度并根据比较结果调整所述内部加热装置的输出功率。
可选地，所述预定差值范围包括：-1℃至1℃。
可选地，所述外部加热装置为外部电感线圈，所述内部加热装置为内部电感线圈。
为实现上述目的，本发明还提供了一种采用上述MOCVD反应腔的MOCVD工艺设备。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的MOCVD反应腔及工艺设备的技术方案中，内部加热装置位于中央进气装置的内部，中央进气装置的外围不存在内部加热装置，使得中央进气装置通入的反应气体在流向反应区的过程中不会受到阻碍，从而降低了反应气体发生预反应的机率，并且使得反应气体可形成稳定的反应气体流场。同时，本发明充分利用外部加热装置及内部加热装置以PID调节方式分别独立控温，相互补偿调节托盘温度，从而获得精确腔室内部温度控制和加热托盘温度的均匀性。
附图说明
图1为MOCVD生长过程示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种MOCVD反应腔的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的MOCVD反应腔进行详细描述。
图2为本发明实施例一提供的一种MOCVD反应腔的结构示意图，如图2所示，该MOCVD反应腔包括：腔体1、托盘2、中央进气装置、外部加热装置3和内部加热装置4，中央进气装置位于腔体1内部的中间位置，托盘2位于腔体1内部且设置于中央进气装置的周围，外部加热装置3位于腔体1的外部，内部加热装置4位于中央进气装置的内部。
托盘2的数量可以为多个。在腔体1内，托盘2可围绕中央进气装置设置，且均匀设置于中央进气装置的周围。优选地，托盘2的材料可以为石墨。托盘2用于承载衬底5。每个托盘2上可放置若干个衬底5。
中央进气装置用于向腔体1通入反应气体。具体地，中央进气装置可包括外壁6和内壁7，外壁6围设于内壁7的外部，内壁7围成一内部空间，内部加热装置4位于内壁7围成的内部空间之中，外壁6和内壁7之间形成有进气通道8，外壁6上开设有若干进气口(图中未具体画出)，进气通道8内的反应气体通过进气口进入腔体1。
优选地，外壁6为筒状结构，内壁7为筒状结构。优选地，进气口可包括：通孔或者狭缝。且进气口均匀分布于外壁6上，以使反应气体能够均匀的进入腔体1内。
进一步地，内壁7与内部加热装置4之间还可以设置有冷却系统9，冷却系统9用于对进气通道8内的反应气体进行冷却。优选地，该冷却系统9为水冷系统，该水冷系统中可通入冷却水以实现对进气通道8内的反应气体进行冷却，从而防止反应气体在进气通道8内发生预反应。
外部加热装置3用于对托盘2进行加热。内部加热装置4用于对托盘2进行加热。外部加热装置3起到主导加热作用，内部加热装置4起到辅助加热作用，在外部加热装置3和内部加热装置4的共同作用下，使托盘2温度的均匀性提高，从而达到工艺要求。优选地，外部加热装置3为外部电感线圈，内部加热装置4为内部电感线圈。外部电感线圈的材料可以为铜，内部电感线圈的材料可以为铜。内部电感线圈的直径可以为20mm。
本实施例中，将内部电感线圈放置于在筒状的中央进气装置的内部，这样铜质的内部电感线圈与反应气体互不接触，保证了反应气体不会被污染，内部电感线圈也不会在高温的条件下被反应气体腐蚀。内壁的内表面上设置的冷却水系统，可进一步放置预反应的发生。
中央进气装置和冷却系统的材料均可以采用对电磁感应不敏感的材料，例如石英或者SiC等，上述材料是电的不良导体，处在外部电感线圈和内部电感线圈产生的交变电磁场内不会被诱导加热，在实际应用中，保证了即使中央进气装置处在腔体内的高温条件下，由于本身不发热和冷却系统的作用，使反应气体在中央进气装置内部时的温度被控制在100℃以下，达到工艺要求的范围，有效避免了预反应的发生。
进一步地，该MOCVD反应腔还可以包括：第一测温装置和第二测温装置，第一测温装置用于测量出第一控温点A的温度，第二测温装置用于测量出第二控温点B的温度，第一控温点A位于托盘2上指定衬底的靠近外部加热装置3的一端，第二控温点B位于托盘2上指定衬底的靠近内部加热装置4的一端。其中，第一测温装置和第二测温装置均可以采用温度传感器。比较第一温控点和第二温控点的温度，并根据比较结果调整外部加热装置3和内部加热装置4的输出功率，以使第一控温点的温度和第二控温点的温度的差值在预定差值范围之内，以满足MOCVD生长薄膜工艺要求。优选地，预定差值范围包括：-1℃至1℃。
进一步地，所述MOCVD反应腔还包括：PID温度控制器。PID温度控制器用于比较第一设定温度和第一温控点的温度，并根据比较结果调整外部加热装置3的输出功率；以及比较第二设定温度和第二温控点的温度并根据比较结果调整内部加热装置4的输出功率。其中，第一测温装置、第二测温装置和PID温度控制器在图中未具体示出。
本实施例中，当外部电感线圈通入交变电流时，就会在外部电感线圈的绕径内产生交变电磁场，处在电磁场内的托盘被加热，由于电磁感应加热存在集肤效应，外部电感线圈电磁感应产生的涡电流主要集中在托盘的外边沿，所以托盘的外边沿温度较高，温度在托盘的径向上存在梯度，即：在外部电感线圈的加热下托盘的外边沿的温度要大于托盘内边沿的温度，且外边沿与内边沿之间存在梯度差。因此，为减小托盘上的温度差，使托盘上各个位置的温度均匀，在腔体内部增设内部电感线圈，同理当内部电感线圈通入相同相位差的交变电流时，会在内部电感线圈的绕径内产生交变电磁场，处在电磁场内的托盘被加热，内部电感线圈电磁感应产生的涡电流主要集中在托盘的内边沿，从而提高了托盘内边沿的温度。外部电感线圈对托盘起到主导加热作用，内部电感线圈对托盘起到辅助加热作用。为控制托盘的温度，可在托盘上设置第一控温点A和第二控温点B，由第一测温装置测量出第一控温点A的温度以及第二测温装置测量出第二控温点B的温度，并由PID温度控制器通过PID调节方式分别调节外部电感线圈的输出功率以及内部电感线圈的输出功率，从而使第一控温点的温度和第二控温点的温度的差值在-1℃至1℃之内。
第一控温点A和第二控温点B之间的区域用于放置衬底，托盘可以导热，则在外部电感线圈和内部电感线圈的共同作用下使第一控温点的温度和第二控温点的温度的差值在-1℃至1℃之内，使托盘达到工艺要求的准确温度，从而使托盘达到良好温度均匀性的动态稳定状态。
本实施例提供的MOCVD反应腔的技术方案中，内部加热装置位于中央进气装置的内部，中央进气装置的外围不存在内部加热装置，使得中央进气装置通入的反应气体在流向反应区的过程中不会受到阻碍，从而降低了反应气体发生预反应的机率，并且使得反应气体可形成稳定的反应气体流场，从而在衬底上生产出质量较好的沉积薄膜。同时，外部加热装置根据测量出的第一控温点的温度调整输出功率以及内部加热装置根据测量出的第二温控点的温度调整输出功率，相互补偿调节托盘温度，从而提高了托盘温度的均匀性以及达到了精确控制腔体内部温度和腔体内托盘温度的目的。由PID温度控制器通过PID调节方式分别独立调节外部电感线圈的输出功率以及内部电感线圈的输出功率，从而可以简单且准确的实现对托盘温度的控制。
本发明实施例二提供了一种MOCVD工艺设备，该MOCVD工艺设备包括：MOCVD反应腔。其中，对MOCVD反应腔的具体描述可参见实施例一，此处不再赘述。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种MOCVD反应腔，其特征在于，包括：腔体、托盘、中央进气装置、外部加热装置和内部加热装置，所述中央进气装置位于所述腔体内部的中间位置，所述托盘位于所述腔体内部且设置于所述中央进气装置的周围，所述外部加热装置位于所述腔体的外部，所述内部加热装置位于所述中央进气装置的内部；
所述托盘，用于承载衬底；
所述中央进气装置，用于向所述腔体通入反应气体；
所述外部加热装置，用于对所述托盘进行加热；
所述内部加热装置，用于对所述托盘进行加热。
2.根据权利要求1所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述中央进气装置包括外壁和内壁，所述内壁围成一内部空间，所述内部加热装置位于所述内壁围成的内部空间之中，所述外壁和内壁之间形成有进气通道，所述外壁上开设有若干进气口，所述进气通道内的反应气体通过所述进气口进入所述腔体。
3.根据权利要求2所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述外壁为筒状结构，所述内壁为筒状结构。
4.根据权利要求2所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述进气口包括：通孔或者狭缝。
5.根据权利要求2所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述内壁与所述内部加热装置之间设置有冷却系统，所述冷却系统用于对所述进气通道内的反应气体进行冷却。
6.根据权利要求1所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述MOCVD反应腔还包括第一测温装置和第二测温装置，所述第一测温装置用于测量出第一控温点的温度，所述第二测温装置用于测量出第二控温点的温度，比较第一控温点和第二控温点的温度，并根据比较结果调整外部加热装置和内部加热装置的输出功率，以使第一控温点的温度和第二控温点的温度的差值在预定差值范围之内；所述第一控温点位于所述托盘上指定衬底的靠近所述外部加热装置的一端，所述第二控温点位于所述托盘上指定衬底的靠近所述内部加热装置的一端。
7.根据权利要求6所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述MOCVD反应腔还包括：PID温度控制器；
所述PID温度控制器，用于根据比较第一设定温度和所述第一控温点的温度并根据比较结果调整所述外部加热装置的输出功率，以及比较第二设定温度和所述第二控温点的温度并根据比较结果调整所述内部加热装置的输出功率。
8.根据权利要求7所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述预定差值在-1℃至1℃之内。
9.根据权利要求1至8任一所述的MOCVD反应腔，其特征在于，所述外部加热装置为外部电感线圈，所述内部加热装置为内部电感线圈。
10.一种采用权利要求1至9任一所述的MOCVD反应腔的MOCVD工艺设备。
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