CN103526285A - 一种led外延片倒置mocvd反应炉 - Google Patents

Abstract

一种LED外延片倒置MOCVD反应炉属于半导体外延生长设备领域。包括炉体、炉盖通过插销装置固定的基盘承载部，排气整流罩固定在炉底且通过外置升降汽缸与源料导入管同时进行升降。本技术方案中，衬底片倒挂式放置，基盘、卫星盘围可实现同时旋转，基盘可整体利用机械臂搬送。此设计使衬底外延生长面向下，解决了因此问题导致良率过低的问题；基盘旋转带动卫星盘围绕基盘轴心旋转，同时，卫星盘也围绕其轴心自转，消除了气流场的不均匀性和热场的不均匀性，使外延生长更加均匀；基盘利用机械臂搬送，相比较频繁开炉盖、手动更换衬底工序，节省了大量时间、提高了生产效率，以及降低了反应腔室与外界接触频率，延长维护保养时限，节约成本。

Description

一种LED外延片倒置MOCVD反应炉

技术领域

本发明属于半导体外延生长设备领域，特别涉及到MOCVD反应炉的结构。

背景技术

近年来，LED生产技术不断进步，生产成本不断降低，亮度不断提高。以其能耗低、寿命长、无污染、体积小等优点得以迅猛发展。LED在室内外显示屏、交通灯、照明市场得到广泛的应用。人们对LED器件的可靠性提出了新的要求和挑战。主要表现为不能出现死灯、暗灯等一系列可靠性问题。此问题的根源在于外延生长过程中产生了颗粒缺陷外延片。

LED是一种将电能转化成光能的掺有杂质的半导体固体器件，它的结构主要是PN结芯片、电极和光学系统组成。LED的生产工艺比较复杂，一般要经过外延片制作、氮气封装、外延生长、芯片前工艺、研磨切割、点测分选、封装等主要步骤。其中外延生长决定了LED发光颜色、发光亮度以及可靠性，因此外延生长所使用的设备MOCVD是LED生产中的核心设备。然而，利用过去的MOCVD设备生长外延时，衬底的外延生长面均是朝上的。Ⅲ族源和Ⅴ族源在反应室内反应生成相应的化合物晶体，部分化合物晶体依附在炉盖下表面，并且逐渐长大。部分化合物晶体脱落，落在衬底的上表面，这样就形成外延生长过程中产生了颗粒缺陷外延片。

而市场主流MOCVD设备的反应炉的炉体、排气整流罩、加热器、冷却板、气体喷嘴等零部件都是相对固定的，取片、装片工作，完全由人工手动打开炉盖进行操作。以49片机换片为例，大致工序及耗时如下：反应腔室抽真空（5min）—腔室充入高纯氮气（5min）——腔室降温至50℃以下（15min）——开炉盖并人工手动取片（11min）——清扫颗粒（2min）——人工手动装片（12min）——清扫颗粒并关炉盖（3min）——腔室抽真空（5min），开始外延生长。共耗时58min，耗费能源及有效生产用时、降低生产效率。同时，在打开炉盖后，还存在反应腔室被污染的风险。

外延生长对气流场和热场的均匀性要求很高，主盘的旋转可以消除气流场的不均性和圆周方向的热场不均匀性。然而热场径向的不均匀性很难消除，这就导致径向方向的外延均匀性差。

发明内容

为了解决由上述原因导致的外延片颗粒缺陷问题、手动取片、装片费时耗力问题以及外延生长均匀性差的问题，本发明提出了一种LED外延片倒置、可自动更换基盘以及基盘和卫星盘同时旋转的MOCVD反应炉。

一种LED外延片倒置MOCVD反应炉，包括炉体1、固定在炉体顶部的炉盖2，其特征在于，在炉体侧壁上开有过渡口25，过渡口上固定有插板阀26，炉盖通过插销装置3固定圆环状的且截面形状为L形状的基盘承载部13，炉体内部旋转轴8通过磁流体7连接有基盘16，源料气体导入管21、石英板17、排气整流罩23固定在炉底18；

所述的基盘承载部13上依次安装有基盘滑轨环28、基盘16、固定式齿环14，基盘上依次安装有卫星盘滑轨环27、卫星盘15、均热板29，多个卫星盘15上端边缘为齿状结构，与固定式齿环14啮合，基盘滑轨环27、卫星盘滑轨环28是由上部的圆环状的且截面形状为凸字形状的滑轨、下部的圆环状的且截面形状为凹字形状的滑轨及中间的滚珠组成，外延衬底片12生长面向下放置在卫星盘15凹槽中后将均热板29盖上。

进一步，所述的基盘承载部13上依次安装有基盘滑轨环28、基盘16、固定式齿环14，基盘上依次安装有卫星盘滑轨环27、卫星盘15、均热板29，此部分整体由机械臂30托举，搬入、搬出反应炉腔室。

进一步，炉底18与炉体1由波纹管24相连，通过安装外置气缸控制炉底18整体升降。

实现上述有益效果的技术方案为，一种LED外延片倒置MOCVD反应炉，包括炉体、固定在炉体顶部的炉盖，在炉体侧壁上开有过渡口，过渡口上固定有插板阀。炉盖冷却水进口、炉盖冷却水出口、氢气进口、连接在炉盖上方，炉盖下方安装有插销装置，插销材质是电磁铁，通过改变线圈的电流方向控制插销的动作。加热器、隔热板连接在炉盖下方。旋转轴通过固定在炉盖上的磁流体连接伺服电机及基盘。炉盖的设计部分组成了反应炉的加热系统，以及基盘、卫星盘的旋转系统。炉底连接波纹管，并安装有石英板、炉底冷却水进口、炉底冷却水出口、排气整流罩、排气口以及源料气体导入管。排气整流罩上开有排气孔，通过控制排气量，可保证控制反应腔室内的压力平衡，整流罩和石英板在反应炉内隔离出外延生长空间，并且由炉盖氢气进口导入氢气，使外延生长空间与基盘上部加热空间压力保持一致，既保证了不会有颗粒进入生长空间，又可避免Ⅲ族源和Ⅴ族源制程气体进入其它空间凝结。

所述基盘放置在基盘承载部上方，卫星盘放置在基盘上，基盘与承载部之间、卫星盘与基盘之间安装有滑轨环，能够满足基盘和卫星盘平稳旋转。卫星盘上部边缘是锯齿状，能与固定在基盘承载部上的固定式齿环啮合，在基盘旋转时，卫星盘也随之自转并围绕基盘轴心公转。此设计消除了热场轴向的不均匀性。使外延生长的更加均匀。

在外延生长完成后，基盘承载部连同基盘、卫星盘可利用机械臂搬出反应炉，放置在氮气箱内，并由机械臂将备用基盘承载部连同基盘、卫星盘搬送至反应炉内，开始进行下一次外延生长。此工序及耗时如下：反应腔室抽真空（5min）—腔室充入高纯氮气（5min）——腔室降温至200℃以下（5min）——炉底、排气整流罩连同石英板下降（1min）——过渡口闸板阀打开、机械臂将基盘承载部连同基盘、卫星盘搬出反应炉放置在氮气箱内（3min）——机械臂将备用基盘承载部连同基盘、卫星盘搬送至反应炉，机械臂回位，闸板阀关闭（3min）——炉底、排气整流罩连同石英板下降（1min）——腔室抽真空（5min），开始外延生长。共耗时28min。在反应炉外延生长的同时，操作人员可在氮气箱内将均热板拿起，为了不破坏衬底生长面，可使用真空吸笔吸附衬底片背面，进行换片工作，更换完成之后，基盘承载部连同基盘、卫星盘放置在氮气箱内，作为下一次外延生长结束后的更换品。相比较不可更换基盘的反应炉，节省时间30min，更换操作时反应炉无需打开炉盖，反应炉内与搬送室内均充入高纯氮气并保持压力平衡，有效避免了炉内被污染风险，缩短了外延生长间隔时间，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明的一种实施方式的结构示意图；

1.炉体     2.炉盖     3.插销装置      4.炉盖冷却水进口

5.氢气进口  6.伺服电机   7.磁流体       8.旋转轴

9.加热器  10.隔热板   11.炉盖冷却水出口  12.外延衬底片

13.基盘承载部   14.固定式齿环   15.卫星盘    16.基盘

17.石英板   18.炉底    19.排气口   20.炉底冷却水出口

21.源料气体导入管 22.炉底冷却水进口  23.排气整流罩  24.波纹管  25.过渡口    26.插板阀   27.卫星盘滑轨环28.基盘滑轨环

29.均热板    30.机械臂

图2为本发明基盘承载部整体搬送示意图；

图3为本发明基盘承载部、基盘、卫星盘等部件分解示意图。

图4为基盘、卫星盘分解示意图。

图5为本发明基盘承载部、基盘、卫星盘等部件分解图的截面示意图。

图6为基盘、卫星盘分解图的截面示意图。

图7为机械臂搬入、搬出反应炉腔室示意图。

图8为机械臂形状示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

结合图1、图2，本发明的一种实施方式。一种LED外延片倒置MOCVD反应炉，包括炉体1、固定在炉体顶部的炉盖2，在炉体侧壁上开有过渡口25，过渡口上固定有插板阀26。炉盖冷却水进口4、炉盖冷却水出口11、氢气进口5、连接在炉盖上方，插销装置3，加热器9、隔热板10连接在炉盖下方。旋转轴8通过固定在炉盖上的磁流体7连接伺服电机6及基盘16。炉体1下部连接波纹管24、炉底18，并安装有石英板17、炉底冷却水进口22、炉底冷却水出口20、排气整流罩23、排气口19以及源料气体导入管21。

本实施例中，所述基盘16放置在基盘承载部13，基盘与承载部之间安装有基盘滑轨环28，滑轨环是由上部凸状滑轨、下部凹状滑轨及滚珠组成，能够满足基盘平稳旋转。基盘16上放置卫星盘15，卫星盘上放置外延衬底片12及均热板29，卫星盘与基盘之间安装有卫星盘滑轨环27，使卫星盘能够在其上旋转。卫星盘15上部边缘是锯齿状，能与固定在基盘承载部13上的固定式齿环14啮合，在基盘旋转时，卫星盘也随之自转并围绕基盘轴心公转。

具体操作过程：在外延生长完成后，腔室内抽真空后再通入高纯氮气，当腔室内温度降到200℃时，炉底通过外置气缸牵引缓慢下降，这时波纹管逐展开，当石英板及排气整流罩下降至过渡口下端边缘以下时停止下降，插板阀打开，机械臂伸入反应炉内并与基盘承载部下端接合，这时，炉盖上插销装置收缩，基盘承载部连同基盘、卫星盘由机械臂托举缓慢下降，当基盘承载部可完全通过过渡口时停止下降，机械臂收回至搬运室，并将基盘连同承载部放置在氮气箱内，然后将备用基盘、承载部搬送至反应炉内，机械臂升起，承载部上端插入炉盖凹槽内后，插销装置伸长，将其牢牢固定，机械臂收回搬送室，插板阀关闭，炉底在外置气缸动作下上升至原位置，腔室内抽真空，下一次外应生长开始。

以上所述，为本发明的一般实施案例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种LED外延片倒置MOCVD反应炉，包括炉体（1）、固定在炉体顶部的炉盖（2），其特征在于，在炉体侧壁上开有过渡口（25），过渡口上固定有插板阀（26），炉盖通过插销装置（3）固定圆环状的且截面形状为L形状的基盘承载部（13），炉体内部旋转轴（8）通过磁流体（7）连接有基盘（16），源料气体导入管（21）、石英板（17）、排气整流罩（23）固定在炉底（18）；

所述的基盘承载部（13）上依次安装有基盘滑轨环（28）、基盘（16）、固定式齿环（14），基盘上依次安装有卫星盘滑轨环（27）、卫星盘（15）、均热板（29），多个卫星盘（15）上端边缘为齿状结构，与固定式齿环（14）啮合，基盘滑轨环（27）、卫星盘滑轨环（28）是由上部的圆环状的且截面形状为凸字形状的滑轨、下部的圆环状的且截面形状为凹字形状的滑轨及中间的滚珠组成，外延衬底片（12）生长面向下放置在卫星盘（15）凹槽中后将均热板（29）盖上。

2.根据权利要求1所述的LED外延片倒置MOCVD反应炉，其特征在于，所述的基盘承载部（13）上依次安装有基盘滑轨环（28）、基盘（16）、固定式齿环（14），基盘上依次安装有卫星盘滑轨环（27）、卫星盘（15）、均热板（29），此部分整体由机械臂（30）托举，搬入、搬出反应炉腔室。

3.根据权利要求1所述的LED外延片倒置MOCVD反应炉，其特征在于，炉底（18）与炉体（1）由波纹管（24）相连，通过安装外置气缸控制炉底（18）整体升降。

Images