CN103540912B - Mocvd设备及该设备中的托盘支撑旋转系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MOCVD设备和该设备中的托盘支撑旋转系统。该托盘支撑旋转系统包含托盘及旋转轴，在托盘底面设有向下延伸的凸起，凸起内贯通的空腔与托盘中心区域贯通的开孔相连通；托盘和旋转轴相接触时，托盘底面的凸起至少一部分插入旋转轴顶部设置的凹进部分中，从而提供托盘和旋转轴之间的接触点，使得旋转轴能够支撑托盘并带动托盘旋转。本发明无需增加托盘的整体厚度就能保证托盘上与旋转轴相接触部分的机械强度，可以减轻托盘的重量，改善热容量，缩短托盘加热和冷却的时间。另外托盘重量减轻后，旋转轴上的应力相应减小，延长了旋转轴的使用寿命。

Description

MOCVD设备及该设备中的托盘支撑旋转系统

技术领域

本发明涉及MOCVD设备，尤其是涉及MOCVD设备中的托盘支撑旋转系统。

背景技术

目前，MOCVD（金属有机化学气相沉淀）设备有两种典型的托盘支撑旋转系统，提供了不同的支撑托盘并且带动托盘旋转的方式。

在如图1所示的一种现有方案中，在MOCVD设备的反应腔中，设置有支撑筒51，支撑筒51与放置有若干外延片40的托盘10的下方边缘位置接触，并支撑该托盘10，保证托盘10的中心落在支撑面内，因此托盘10在静态时很稳定。加热器30的加热元件在托盘下方，特别是在托盘下方中心位置处可以连续设置，保证托盘中心的温度环境与托盘其他位置一致。

这种方案中，在支撑筒51的底盘511下方、中间位置处设有驱动轴20（即旋转轴），由驱动轴20带动支撑筒51旋转，进而带动托盘10旋转，相应地转动惯量较大，这种从边缘支撑并带动托盘10旋转的装置一般适用于低速转动的情况。

在如图2或图3所示的另一种现有方案中，驱动轴从中心支撑并且带动托盘10旋转。其中，托盘10底部中间位置设置有凹入的沉孔或凹进部分101，其底面与托盘10的上表面平行。与该圆柱形（图2）或圆锥形（图3）等形状的沉孔101相匹配，对应将驱动轴20顶端圆柱形或圆锥形的部分201，垂直插入该托盘10的沉孔101中。通过驱动轴20的表面与托盘10沉孔101的表面接触，成为托盘10的支撑面，并在摩擦力作用下，由驱动轴20带动托盘10一起旋转。

由于结构简单、部件少，该种MOCVD设备的动平衡易于调节，转动惯量相对前一种方案有所减小，适合在中高速转动的情况下使用。

然而，当采用石墨作为托盘10材料时，为了增强接触面上的摩擦力和抗摩擦强度，需要有特殊的表面加工处理，而由于该接触面落在沉孔101里，增加了表面加工处理的难度。

另外由于在托盘10上加工沉孔101会使得托盘10相应部位的厚度减薄，机械强度降低，为保证沉孔101部位的机械强度，往往要使托盘10的整体厚度增加，导致热容量增加，延长了加热或冷却需要的时间；此外还造成托盘10的重量增加，增加了驱动轴（或旋转轴）上的应力，缩短了驱动轴的使用寿命。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种MOCVD设备及该设备中的托盘支撑旋转系统。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案提供一种MOCVD设备中的托盘支撑旋转系统，包含托盘和旋转轴，所述旋转轴的轴心线通过托盘的中心区域；

所述托盘的中心区域设有贯通该托盘的开孔，托盘底面围绕着轴心线设有向下延伸的凸起，且所述凸起中设有在轴心线上贯通该凸起的空腔，所述空腔的顶端和开孔的下端相连通；

所述旋转轴的顶部设有容纳所述凸起的凹进部分；

所述托盘和旋转轴相接触时，托盘底面的凸起至少一部分插入旋转轴顶部的凹进部分中，凸起和凹进部分直接相接触从而提供托盘和旋转轴之间的接触点，使得旋转轴能够支撑托盘并带动托盘旋转。

一种实施例中，所述旋转轴的顶部进一步设有向下延伸的开口槽，所述开口槽的顶端和所述空腔的下端相连通或者所述开口槽和凹进部分相连通。

另一种实施例中，所述旋转轴中设有贯通该旋转轴的通孔，该通孔的顶端和所述空腔的下端相连通或者该通孔和凹进部分相连通。

优选的，所述凸起相对于轴心线对称分布。

优选的，所述空腔的顶端的开口和所述开孔的下端的开口的形状及尺寸相同。

所述凸起为大致呈环状的凸起。

或者，所述凸起包含第一凸起和第二凸起，第一凸起和第二凸起相连，第二凸起位于第一凸起的下方，至少第二凸起的一部分或全部插入所述凹进部分。

所述凹进部分为大体呈环状的凹进部分，或者所述凹进部分为大体呈圆柱状或大体呈圆台状的凹进部分。

优选的，所述接触点位于凸起的底面或凸起的外侧面。

本发明的另一个技术方案是提供一种MOCVD设备，其包含进气装置、加热器以及托盘支撑旋转系统,其中托盘支撑旋转系统包含托盘和旋转轴，旋转轴的轴心线通过托盘的中心区域；进气装置位于托盘的上方，用于释放反应气体至托盘的上表面以进行外延反应或薄膜沉积；加热器在托盘的下方围绕着旋转轴排列，用于对托盘进行加热；

所述托盘的中心区域设有贯通该托盘的开孔，托盘底面设有向下延伸的凸起，且所述凸起中设有在轴心线上贯通该凸起的空腔，所述空腔的顶端和开孔的下端相连通；

所述旋转轴的顶部设有容纳所述凸起的凹进部分；

所述托盘和旋转轴相接触时，托盘底面的凸起至少一部分插入旋转轴顶部的凹进部分中，凸起和凹进部分直接相接触从而提供托盘和旋转轴之间的接触点，使得旋转轴能够支撑托盘以及带动托盘旋转。

一种实施例中，所述旋转轴的顶部进一步设有向下延伸的开口槽，所述开口槽的顶端和所述空腔的下端相连通或者所述开口槽和凹进部分相连通。

另一种实施例中，所述旋转轴中设有贯通该旋转轴的通孔，所述通孔的顶端和所述空腔的下端相连通或者该通孔和凹进部分相连通。

优选的，所述接触点位于凸起的底面或凸起的外侧面。

优选的，所述空腔的顶端的开口和所述开孔的下端的开口的形状及尺寸相同。

本发明实施例与现有技术相比，无需增加托盘的整体厚度就能保证托盘上与旋转轴相接触部分的机械强度，可以减轻托盘的重量，改善热容量，缩短托盘加热和冷却的时间。另外托盘重量减轻后，旋转轴上的应力相应减小，延长了旋转轴的使用寿命。

不难看出，本发明实施例中，托盘和旋转轴之间的结构配合关系简单，托盘可以方便地和旋转轴相接触或者相分离，在实际应用中，亦适合采用机械手（robot）来装卸托盘。

附图说明

图1是现有一种从边缘支撑并带动托盘旋转的MOCVD系统的结构示意图；

图2是现有一种从中心支撑并且带动托盘旋转的MOCVD系统的结构示意图；

图3是现有另一种从中心支撑并且带动托盘旋转的MOCVD系统的结构示意图；

图4是本发明实施例中托盘支撑旋转系统的一种实施结构的剖面示意图，其中托盘与旋转轴相接触；

图5是图4所示托盘支撑旋转系统中托盘与旋转轴相分离时的剖面示意图；

图6是图4所示托盘支撑旋转系统的一种变形结构的立体剖面示意图，其中旋转轴内设有贯通旋转轴的通孔；

图7是本发明实施例中托盘支撑旋转系统的另一种实施结构的剖面示意图，其中旋转轴中凹进部分为圆台状；

图8是图7所示托盘支撑旋转系统的一种变形结构的剖面示意图，其中旋转轴中凹进部分为环状；

图9是对图8所示托盘支撑旋转系统的一种变形结构的剖面示意图，其中旋转轴设有开口槽；

图10是本发明实施例中一种MOCVD设备的剖面示意图；

图11是本发明实施例中托盘支撑旋转系统的又一种实施结构的剖面示意图，其中具有外侧面为圆柱面的第一凸起和外侧面为圆台面的第二凸起；

图12是本发明实施例中另一种MOCVD设备的剖面示意图，还示出托盘支撑旋转系统的再一种变形结构的剖面示意图，其中具有外侧面为圆柱面的第一凸起和第二凸起。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的多个具体实施方式。

在MOCVD设备中，通常将托盘置于MOCVD设备的反应腔中，托盘的上表面可以置有多个外延片（或者称为衬底片或晶片），本发明实施例中外延片的大小可以是2英寸、4英寸或者更大尺寸，例如6英寸、8英寸。托盘上方设有进气装置，例如喷淋头，反应气体从进气装置释放出来后，向下到达托盘的上表面进行外延反应或薄膜沉积。本实施例中托盘可以是石墨托盘，或者是其他材质的托盘，例如SiC（碳化硅）托盘。

配合参见图4、图5所示，本发明一个实施例中提供的托盘支撑旋转系统，包括托盘2和旋转轴3；旋转轴3的轴心线通过托盘2的中心区域，在托盘2的中心区域设有贯通托盘2的开孔，托盘底面22围绕着轴心线设有向下延伸的凸起24，且该凸起24中设有在轴心线上贯通该凸起24的空腔，所述空腔的顶端与开孔的下端相联通；旋转轴3的顶部设有容纳所述凸起24的凹进部分34；托盘2和旋转轴3相接触时，托盘底面22的凸起24至少有一部分插入旋转轴3顶部的凹进部分34中，凸起24和凹进部分34直接相接触从而提供托盘2和旋转轴3之间的接触点，使得旋转轴3能够支撑托盘2并带动托盘2旋转。通常地，凸起24和凹进部分34设置为相匹配的形状。

本实施例中在托盘2的中心区域设置开孔，并使该开孔贯通或者贯穿托盘2，以及在托盘底面设置凸起24，凸起24中设有贯通凸起24且和开孔连通的空腔，至少具有如下的技术效果，即，无需增加托盘的整体厚度就能保证托盘上与旋转轴相接触部分的机械强度，可以减轻托盘2的重量，改善热容量，缩短托盘加热和冷却的时间；并使旋转轴3上的应力能够相应减小，延长旋转轴的使用寿命。

另外本实施例中托盘2和旋转轴3之间的结构配合关系简单，托盘2可以方便地和旋转轴3相接触（图4）或者相分离（图5），在实际应用中，适合采用机械手来装卸托盘2。

其中，对于在托盘2的中心区域设置的通孔，也就是在托盘2中心区域贯通托盘2的开孔来说，该开孔的开口可以为圆形或者其他形状。相应地，对于贯通开设在凸起24中的空腔，该空腔位于旋转轴轴心线上，空腔的顶端和开孔的下端相连通，且该空腔的顶端的开口和上述开孔的下端的开口的形状及尺寸可以相同，也可以不相同，例如空腔的顶端的开口大于开孔的下端的开口。进一步地，本实施例中，开孔可以为圆柱形，空腔也为圆柱形，开孔的直径小于或者等于或者大于空腔的内径。优选地，使开孔的直径和凸起24的直径相等，此时开孔和空腔可以合起来看作一个圆柱。

本实施例中凸起24围绕轴心线分布，优选地，凸起24围绕轴心线或相对轴心线对称分布。在一个可选的实施例中，凸起大体呈环状，需要明白的是，本实施例中所称的大体呈环状包括环状，以及接近环状的形状，例如环状的简单变形。本发明提供的实施例中大体呈环状至少包括如下情形：凸起24的外侧面242为圆柱面（图5）或圆台面（图7），内侧面246为圆柱面或圆台面（图中未示出）。

或者，如图11或图12所示，凸起24包括第一凸起251和第二凸起252，第一凸起251和第二凸起252相连，第二凸起252位于第一凸起251的下方，其中第一凸起251大致呈环状，第二凸起252也大致呈环状。凸起的外侧面242包括第一部分、第二部分以及连接第一部分和第二部分的连接部分262，其中第一部分为第一凸起251的外侧面，第二部分为第二凸起252的外侧面，例如在不同的实施例中第一部分为圆柱面（图11、图12），第二部分为圆柱面（图11）或圆台面（图12）；连接部分262可以为环状平面（图11、图12）或圆台面（图中未示出）；或者其他一些简单的变化等。

对旋转轴3而言，一方面，通过接触点起到支撑托盘的作用；另一方面，进一步通过接触点提供摩擦力带动托盘旋转。本实施例中旋转轴3在驱动装置作用下，可以上下移动，或者可以绕着轴心线旋转，或者兼具上下移动和绕着轴心线旋转这两种功能。

在旋转轴3的顶部设置的凹进部分34，用以容纳上述的凸起24，通常，凸起24和凹进部分34的形状设置成相匹配，当旋转轴3和托盘2相接触时，旋转轴3支撑托盘2或进一步带动托盘2旋转，凸起24的一部分或者全部位于凹进部分34内。旋转轴3和托盘2相接触时，一般而言旋转轴3和托盘2之间具有多个接触点，接触点位于凸起24的底面或凸起24的外侧面。当凸起24为大体呈环状的凸起时，如图4所示，接触点位于凸起24的环状的底面244或凸起24的外侧面242，不难明白，本实施例中接触点也位于凹进部分34的底面344或凹进部分34的外侧面342上。

本实施例对凹进部分34的形状不做具体的限定。优选地，凹进部分34为大体呈环状（图4）的凹进部分，且凹进部分34的外侧面342为圆柱面（图4）或圆台面（图8）。凹进部分34为大体呈环状的凹进部分时，在旋转轴3顶端，凹进部分内侧面344所包围或者所限定的区域（或者称为凸起件351）大体上可以设置为圆柱件（图4）或者环状件（图8）。对凸起24而言，由于其中心部分设有空腔，托盘底面22的凸起24插入旋转轴3顶部的凹进部分34时，该凸起件351也相应地插入空腔。需要强调的是，该凸起件351和空腔并不构成接触，也就是说接触点仍位于凸起24的底面244或凸起24的外侧面242，而不会位于凸起24的内侧面246，也不会位于凸起件351的顶面。因此，在另一些实施例中，凹进部分34内也可以不设置上述的凸起件351（如图7、图11或图12），即，此时的凹进部分34为一个大体呈圆柱状或圆台状的凹进部分。

进一步地，旋转轴3的顶部还设有向下延伸的开口槽361（图9、图10或图11），所述开口槽361的顶端和空腔的下端相连通（见图9、图10），或者开口槽361和凹进部分34相连通（见图11）。或者旋转轴3中设有贯通旋转轴3的通孔362（图6或图7），该通孔362的顶端和所述空腔的下端相连通（见图6），或者通孔362和凹进部分34相连通（见图7）。通常开口槽361或者通孔362为圆柱状，其直径大小可以根据实际需要来设定，本发明实施例对此不作限定，在一种可选的方案中，直径大小可以为2mm至100mm。

下面以旋转轴3的顶部设有通孔362为例进行说明，参见图6所示，凹进部分34为大体呈环状的凹进部分时，在旋转轴3顶部为凹进部分34内侧面所包围的中心区域（即凸起件351，本示例中为圆柱体）上开设向下贯通的通孔362，也就是说该通孔362从凸起件351的顶面开始向下延伸，并贯穿整个旋转轴3。

而在如图7所示的实施例中，即凹进部分34为大体呈圆柱状或圆台状的凹进部分时，直接在凹进部分34的底部的中心区域开设贯通的通孔362，即该通孔362从凹进部分的底面开始向下延伸，并贯穿整个旋转轴3。一般来说，通孔362可以大体呈圆柱形。

而如图11或图12所示，当凸起24包括第一凸起251和第二凸起252时，第二凸起252位于第一凸起251的下方，至少第二凸起252的一部分或全部插入上述大体呈圆柱状或圆台状（图7未示出）的凹进部分内。此时，托盘2与旋转轴3的接触点可以位于第一凸起251与第二凸起252之间为一环状平面的连接部分262上（图11或图12），也可以还同时位于第二凸起252的外侧面（即上述的第二部分）上（图12）。图11或图12所示的，是第二凸起252的高度a1（或插入的深度）小于凹进部分34开设深度b1的情况，而在其他未示出的实施例中，第二凸起252的高度也可以大于或等于凹进部分34开设的深度。

参见图10或图12所示，本发明在实施例中还提供一种MOCVD设备，包括进气装置70、加热器30以及上述的托盘支撑旋转系统,其中托盘支撑旋转系统包括托盘2和旋转轴3，旋转轴3的轴心线通过托盘2的中心区域；进气装置70位于托盘2的上方，用于释放反应气体至托盘2的上表面以进行外延反应或薄膜沉积，通常进气装置70可以是喷淋头；加热器30在托盘2的下方围绕着旋转轴3排列，用于对托盘2进行加热；

托盘2的中心区域设有贯通托盘2的开孔，托盘底面22设有向下延伸的凸起24，且该凸起24中设有在轴心线上贯通该凸起24的空腔，所述空腔的顶端和开孔的下端相联通；旋转轴3的顶部设有容纳所述凸起24的凹进部分34；托盘2和旋转轴3相接触时，托盘底面22的凸起24至少一部分插入旋转轴3顶部的凹进部分34中，凸起24和凹进部分34直接相接触从而提供托盘2和旋转轴3之间的接触点，使得旋转轴3能够支撑托盘2并带动托盘2旋转。通常地，凸起24和凹进部分34设置为相匹配的形状。本实施例MOCVD设备中的托盘支撑旋转系统可以是上文任意一个实施例中所描述的托盘支撑旋转系统，这里不再赘述。

本发明实施例与现有技术相比，无需增加托盘的整体厚度就能保证托盘上与旋转轴相接触部分的机械强度，可以减轻托盘的重量，改善热容量，缩短托盘加热和冷却的时间。另外托盘重量减轻后，旋转轴上的应力相应减小，延长了旋转轴的使用寿命。此外，本实施例中托盘和旋转轴之间的结构配合关系简单，托盘可以方便地和旋转轴相接触（图4）或者相分离（图5），在实际应用中，适合采用机械手来装卸托盘。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (13)

1.一种MOCVD设备中的托盘支撑旋转系统，包含托盘（2）和旋转轴（3），所述旋转轴（3）的轴心线通过托盘（2）的中心区域，其特征在于，

所述托盘（2）的中心区域设有贯通该托盘（2）的开孔，托盘底面（22）

围绕着轴心线设有向下延伸的凸起（24），且所述凸起（24）中设有在轴心线上贯通该凸起（24）的空腔，所述空腔的顶端和开孔的下端相连通；

所述旋转轴（3）的顶部设有容纳所述凸起（24）的凹进部分（34）；

所述托盘（2）和旋转轴（3）相接触时，托盘底面（22）的凸起（24）至少一部分插入旋转轴（3）顶部的凹进部分（34）中，凸起（24）和凹进部分（34）直接相接触从而提供托盘（2）和旋转轴（3）之间的接触点，使得旋转轴（3）能够支撑托盘（2）并带动托盘（2）旋转。

2.如权利要求1所述的托盘支撑旋转系统，其特征在于，所述旋转轴（3）的顶部进一步设有向下延伸的开口槽（361），所述开口槽（361）的顶端和所述空腔的下端相连通或者所述开口槽（361）和凹进部分（34）相连通。

3.如权利要求1所述的托盘支撑旋转系统，其特征在于，所述旋转轴（3）中设有贯通该旋转轴（3）的通孔（362），该通孔（362）的顶端和所述空腔的下端相连通或者该通孔（362）和凹进部分（34）相连通。

4.如权利要求1或2或3所述的托盘支撑旋转系统，其特征在于，所述凸起（24）相对于轴心线对称分布。

5.如权利要求1或2或3所述的托盘支撑旋转系统，其特征在于，所述空腔的顶端的开口和所述开孔的下端的开口的形状及尺寸相同。

6.如权利要求1所述的托盘支撑旋转系统，其特征在于，所述凸起（24）为大致呈环状的凸起。

7.如权利要求1所述的托盘支撑旋转系统，其特征在于，所述凸起（24）包含第一凸起（251）和第二凸起（252），第一凸起（251）和第二凸起（252）相连，第二凸起（252）位于第一凸起（251）的下方，至少第二凸起（252）的一部分或全部插入所述凹进部分（34）。

8.如权利要求1所述的托盘支撑旋转系统，其特征在于，所述凹进部分（34）为大体呈环状的凹进部分，或者所述凹进部分（34）为大体呈圆柱状或大体呈圆台状的凹进部分。

9.如权利要求1所述的托盘支撑旋转系统，其特征在于，所述接触点位于凸起（24）的底面（244）或凸起（24）的外侧面（242）。

10.一种MOCVD设备，其特征在于，包含进气装置（70）、加热器（30）以及托盘支撑旋转系统,其中托盘支撑旋转系统包含托盘（2）和旋转轴（3），旋转轴（3）的轴心线通过托盘（2）的中心区域；进气装置（70）位于托盘（2）的上方，用于释放反应气体至托盘（2）的上表面以进行外延反应或薄膜沉积；加热器（30）在托盘（2）的下方围绕着旋转轴（3）排列，用于对托盘（2）进行加热；

所述托盘（2）的中心区域设有贯通该托盘（2）的开孔，托盘底面（22）设有向下延伸的凸起（24），且所述凸起（24）中设有在轴心线上贯通该凸起（24）的空腔，所述空腔的顶端和开孔的下端相连通；

所述旋转轴（3）的顶部设有容纳所述凸起（24）的凹进部分（34）；

所述托盘（2）和旋转轴（3）相接触时，托盘底面（22）的凸起（24）至少一部分插入旋转轴（3）顶部的凹进部分（34）中，凸起（24）和凹进部分（34）直接相接触从而提供托盘（2）和旋转轴（3）之间的接触点，使得旋转轴（3）能够支撑托盘（2）以及带动托盘（2）旋转。

11.如权利要求10所述的MOCVD设备，其特征在于，所述旋转轴（3）的顶部进一步设有向下延伸的开口槽（361），所述开口槽（361）的顶端和所述空腔的下端相连通或者所述开口槽（361）和凹进部分（34）相连通；

或者，所述旋转轴（3）中设有贯通该旋转轴（3）的通孔（362），所述通孔（362）的顶端和所述空腔的下端相连通或者该通孔（362）和凹进部分（34）相连通。

12.如权利要求10或11所述的MOCVD设备，其特征在于，所述接触点位于凸起（24）的底面（244）或凸起（24）的外侧面（242）。

13.如权利要求10或11所述的MOCVD设备，其特征在于，所述空腔的顶端的开口和所述开孔的下端的开口的形状及尺寸相同。