CN103820770A - 具有多个子反应器结构的金属有机化学气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明是一种具有多个子反应器的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备。该设备包括气路装置和多个子反应器。利用共用气路设备和分气装置，至少两套完全相同的MOCVD子反应器在相同的条件下同时生长以得到一致的外延薄膜或者器件结构。通过增加子反应器的个数而不是增加单个反应器的容量来提高MOCVD设备的批产量，克服了提高单个反应器容量引起的流场和温场控制的困难，从而得到可以大规模生产的MOCVD设备。

Description

具有多个子反应器结构的金属有机化学气相沉积设备

1技术领域

本发明涉及半导体设备制造技术领域，特别是金属有机物气相沉积设备制造技术领域。 

2.技术背景

金属有机物化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD)方法，也称为金属有机物气相外延(Organic Metal Vapor Phase Epitaxy，简称OMVPE)方法，是上世纪70年代发展起来的先进的外延方法。由于其可用于大面积薄膜的生长，应用材料范围广，因此被广泛的应用于半导体薄膜材料和器件的生长和研究中。由于MOCVD设备的生长质量和生长速度适于进行大规模生产，尤其是III-N族化合物材料的生产，具有垄断地位。 

随着MOCVD技术的发展和对发光二极管等半导体器件需求的增加，生产型MOCVD设备具有了越来越大的单次产量。增加MOCVD的批产量可以减小单片或者单器件的生长成本。美国的Vecco公司的采用TurboDisk技术的MOCVD设备可以一次生产多片2英寸的GaN基器件。德国的Aixtron公司的Plant-DiskRotation技术和Close Coupled Shower-head技术的MOCVD设备可以一次生产42片2″的GaN基器件。 

但这两个公司的反应室都是一个大反应器，上面有多个衬底。反应室越大，越容易产生气体涡流，而且很难确保所有衬底温度一样。随着MOCVD设备的扩大，相应的流场和温度场的控制难度增加，材料生长的质量和一致性更加难以控制。而且随着MOCVD设备的增大，反应室金属机械结构和加热器等部件的体积增大和故障增多，使MOCVD设备的使用寿命减少。 

3发明内容

本发明的目的在于，针对现有的生产型MOCVD设备制造技术的不足和高批产量MOCVD设备需求，本专利提出了一种具有多个子反应器结构的MOCVD设备，该设备加工简单，而且标准化很高。所生长的外延片均匀性很好， 

本发明的具有多个子反应器的MOCVD设备包括共用气路101、共用真空系统170、多个子反应器161和每个子反应器对应的分气装置111、匀气罩121、衬底托盘131、加热器141、衬底旋转机构151等部件等。 

其特征在于每个反应室160包含至少两个相同的子反应器，通过分气装置111与共用气路101连接，利用分气装置从共用气路中得到生长气体。由分气装置控制通入各子反应器的气体流量，使各个子反应器的反应气体和载气流量相同；每个子反应器具有相同的加热器141、衬底旋转机构151等以获得同样的外延生长条件；每个反应室的多个子反应器放入一共用真空系统中，具有共用的压强控制系统170和尾气处理装置(未画出)。 

反应室中的每个反应器具有相同的结构，可以是立式反应器，也可以是水平反应器，但每个子反应室的结构保持一致。通过增加反应器的个数来增大多反应器MOCVD设备的规模，提高单次外延的产量。反应室中的所有子反应器中有相同的加热器，通过单独控制得到相同的温场，通过共用的压力控制系统可以得到相同的生长压力。 

本发明所述的多反应器MOCVD设备的多个子反应器可以同时进行外延，也可以分别进行外延。 

下面通过实施例极其附图作进一步描述 

附图说明：

图1：具有一个反应室和四个立式子反应器的MOCVD设备示意图。 

图2：是具有一个反应室和两个水平子反应器的MOCVD设备示意图。 

图3：是具有两个反应室，每个反应室中有两个水平子反应器的MOCVD设备示意图。 

图4：是具有两个反应室，每个反应室中有四个立式子反应器的MOCVD设备示意图。 

具体实施方式

实施方式一：单反应室，多立式子反应器。 

图1中101为共用气路，111为分气装置，从气路中得到MOCVD外延所需要的各种气氛，控制各中气体的流量。121为子反应器匀气罩，控制子反应器中的气流状态。131为衬底托盘，由旋转轴151带动进行转动。141为加热器，控制MOCVD反应温度。160为反应室，压强控制系统从170接入反应室，从而控制整个反应室的压强。在反应室中可以看到4个完全相同的立式子反应器，通过对流场、温场和各种反应气体的流量的控制得到一致的外延薄膜或器件结构。 

在实际应用中，131衬底托盘可以承载3～7片2″衬底，每个子反应器一次可以生产7片2″外延片，整个MOCVD设备一次可以生产28片2″外延片。通过增加反应室中的子反应器的个数和衬底托盘的大小，可以进一步增加MOCVD设备的批产量。 

实施方式二：单反应室，多水平子反应器 

图2中201为共用气路，211为分气装置，从共用气路中得到MOCVD外延所需要的各种气氛，控制各种气体的流量。221为子反应器流场控制器(相当 于立式反应器中的匀气罩)，控制子反应器中的气流状态。231为衬底托盘，由旋转轴251带动进行转动。241为加热器，控制MOCVD反应温度。260为反应室，压强控制系统从270接入反应室，从而控制整个反应室的压强。在反应室中可以看到2个完全相同的水平子反应器，通过对流场、温场和各种反应气体的流量的控制得到一致的外延薄膜或器件结构。 

在实际应用中，241衬底托盘可以承载3～7片2″衬底，每个子反应器一次可以生产7片2″外延片，整个MOCVD设备一次可以生产14片2″外延片。通过增加反应室中的子反应器的个数和衬底托盘的大小，可以进一步增加MOCVD设备的批产量。 

实施方式三：多反应室，多个水平子反应器 

图3中利用多个实施方式二中说明的单反应室，多个水平子反应器结构，进一步扩展MOCVD设备的生产能力。通过对各种外延条件的调整使两个反应室中的外延条件相同。两个反应室可以同时或者分别进行生产，以提高共用部分的利用率，降低生产成本。 

在实际应用中，如图3所示两个反应室可以同时生长，一次生产28片2″外延片。在生产过程中也可以两个反应室分别进行外延。通过增加反应室和反应室中的子反应器的个数可以进一步提高MOCVD设备的批产量。 

实施方式四：多反应室，多立式子反应器 

图4中利用多个实施方式一中说明的单反应室，多个立式子反应器结构，进一步扩展MOCVD设备的生产能力。通过对各种外延条件的调整使两个反应室中的外延条件相同。两个反应室可以同时或者分别进行生产，以提高共用部分的利用率，降低生产成本。 

在实际应用中，如图4所示两个反应室可以同时生长，一次生产56片2″外 延片。在生产过程中也可以两个反应室分别进行外延。通过增加反应室和反应室中的子反应器的个数可以进一步提高MOCVD设备的批产量。 

Claims (8)

1.一种具有多个子反应器结构的金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备，其特征在于，包括：

共用气路(101)，所述共用气路(101)包括MO源、氮气、氨气、氢气气路；反应室(160)，每个反应室包括多个子反应器(161)；

子反应器分气装置(111)，从所述共用气路(101)得到子反应器(161)中MOCVD外延所需要的各种气氛，控制各种气体的流量；

压强控制系统(170)，控制整个反应室(160)的压强；

其中所述子反应器(161)包括：

子反应器匀气罩(121)，控制子反应器中的气流状态；

子反应器旋转轴(151)，带动子反应器衬底托盘(131)旋转；

子反应器衬底托盘(131)，由子反应器旋转轴(151)带动进行转动；

子反应器加热器(141)，用来对子反应器衬底托盘(131)加热。

2.根据权利要求书1所述的MOCVD设备，其特征在于，反应室(160)包括多个完全相同的子反应器(161)，这些子反应器(161)通过子反应器分气装置(111)与共用气路(101)连接；通过对每个子反应器(161)的流场、温场和各种反应气体的流量控制得到一致的外延薄膜或器件结构。

3.根据权利要求书1所述的MOCVD设备，其特征在于，反应室(160)可以包含2个或2个以上的子反应器(161)。

4.根据权利要求书1所述的MOCVD设备，其特征在于，子反应器(161)是立式反应器或是水平式反应器，但每个设备中的所有子反应器(161)的结构一致。

5.根据权利要求书1所述的MOCVD设备，其特征在于，多个子反应器(161)利用子反应器分气装置(111)从共用气路(101)中得到生长气体，利用子反应器分气装置(111)控制通入各子反应器(161)的气体流量，使子反应器(161)的反应气体和载气的流量相同。

6.根据权利要求书1所述的MOCVD设备，其特征在于，多个子反应器(161)具有相同的加热器，通过单独控制得到相同的温度，加热方式是电极加热、高频加热或是光辐射加热。

7.根据权利要求书1所述的MOCVD设备，其特征在于，每个反应室(160)中的多个子反应器(161)共用一个压力控制系统，以得到相同的生长压力。

8.根据权利要求书1所述的MOCVD设备，其特征在于，每台MOCVD设备具有一个反应室(160)或多个反应室(160)。

Images