CN104498906A - 一种mocvd反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MOCVD反应器。所述反应器包括旋转支撑轴，装在旋转支撑轴顶端的基片载盘，以及设置在基片载盘下方的加热组件；所述加热组件为上下布置的多层加热组件，相邻两层加热组件具有间隙，在所述加热组件设有热屏蔽组件。由此，多层加热元件的设计能够将整个载片盘下方的面积都利用起来。从而增加了高温辐射面积，使加热元件在相同温度下能够将载片盘加热到更高的温度，加热效率提高30%左右，为沉积高质量AlGaN/AlN外延薄膜提供更宽的温度窗口。

Description

一种MOCVD反应器

技术领域

本发明涉及金属有机物化学气相沉积设备领域，具体涉及一种MOCVD反应器。

背景技术

金属有机物化学气相淀积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD）技术因具有薄膜生长速率较快、生长质量好等优点，成为GaN、AlGaN、AlN等Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜生长与器件制作最适合的外延技术。利用MOCVD外延技术制备的AlGaN/GaN器件具有广泛的用途，如AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（AlGaN/GaN HEMT）器件主要用于耐高温抗辐照的高频大功率器件及电路的制作，是未来微波功率器件的首选，将成为通讯、雷达、制导、空间防御及电子对抗等现代化装备的核心部件；AlGaN/GaN光电探测器件包括紫外探测器、ISBT红外探测器、UV/IR双色探测器等，在多个行业及领域都有广泛的应用需求。

在AlGaN/GaN器件构筑过程中，均涉及到多层GaN、AlGaN与AlN薄膜的叠层外延生长，外延薄膜质量成为器件性能得以实现的一个关键。特别地，在AlGaN和AlN外延工艺中，如何有效控制Al组分、提高Al原子的表面迁移能力，改善外延薄膜质量，是目前MOCVD设备在Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料外延与器件制备时所面临的重要瓶颈之一，亟待技术突破。

研究表明，通过提高外延生长温度（高于1400 ℃），使得Al原子获得更多能量，从而能够有效增强Al原子表面迁移率，改善Al组分的均匀性、表面形貌和晶体质量。但是，目前商用的MOCVD机台一般最高加热温度为1300℃左右，距离在1400℃以上工况长时间、稳定运行还有较大差距，并不能满足沉积高质量AlN、AlGaN等材料的生长要求。

目前， MOCVD一种普遍采用的加热方式是辐射加热，辐射加热使用的加热元件的基本形状如图1所示。由图可见目前使用的加热元件50一般都是由平滑的片状或者由弹簧型的加热丝制成。平滑的片状加热元件能够承受很大的电流，但是其辐射面积有限；绕成圆柱状的加热丝辐射面积很大，但是单根加热丝承受电流的能力有限，若采用多根加热丝的方式制造加热元件，加热器的设计及制造难度急剧上升，并且在受热后还存在变形下垂的问题，实际使用非常少。

使用以上两种形状加热元件的加热器在现有MOCVD中将基片加热到1200℃时使用情况都非常好，但是随着基片对更高温度的要求的提升，加热元件上需要承担的功率越来越大，表面负荷也越来越重，但是因为材料特性，加热元件表面热载荷负荷能力却在不断下降（金属钨及金属铼表面载荷承受能力与温度的关系如图2所示，线性近似，实际上下降更快）。因此，现有MOCVD中加热元件设计不能够满足MOCVD将基片加热到更高温度的要求。

如图1所示，当前加热器中的加热元件一般都是单层设计，而加热元件本身并不是由整个圆板构成，其一般是如上所述的片状或者螺旋状金属丝绕制而成，相互之间是存在空隙的，并没有将载片盘下方的面积全部利用。

综上所述，针对上述问题，本发明拟提供一种能够将目前加热元件之间空隙也利用起来的加热器，解决辐射加热方式中加热元件不能将基片加热到1400℃及更高温度的问题，以满足沉积高质量AlN/AlGaN薄膜材料对基片高温的要求，并且该加热器的加热元件还易于加工制造。

发明内容

为了克服MOCVD中目前普遍使用的辐射式加热器中的加热元件不能承受较大功率，不能将基片加热到1400℃及更高温度的问题，本发明旨在提供一种能够承受较大功率、使用辐射加热方式将载片盘上方基片加热到1400℃及以上的MOCVD反应器，以满足沉积高质量AlGaN/AlN外延工艺对基片温度的要求。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种MOCVD反应器，包括旋转支撑轴，装在旋转支撑轴顶端的基片载盘，以及设置在基片载盘下方的加热组件；其结构特点是，所述加热组件为上下布置的多层加热组件，相邻两层加热组件具有间隙，在所述加热组件设有热屏蔽组件。

由此，多层加热元件的设计能够将整个载片盘下方的面积都利用起来。从而增加了高温辐射面积，使加热元件在相同温度下能够将载片盘加热到更高的温度，加热效率提高30%左右，为沉积高质量AlGaN/AlN外延薄膜提供更宽的温度窗口。

以下为本发明的进一步改进的技术方案：

进一步地，多层加热元件在水平面的投影形成实心圆形，该实心圆的直径小于基片载盘的外径，由此，所述多层加热元件每层加热元件以重叠的方式安装后能够相互补充，使整个基片载盘下方的平面都能够被加热元件所覆盖，从而最大限度地实现对基片载盘的底面进行加热。

根据本发明的实施例，所述加热组件为上下布置的2～5层加热组件。

为了防止热量向周向辐射损失，所述加热组件外周设有筒状隔板，该筒状隔板的底端固定在反应器底板上。

进一步地，每层加热组件包括多个位于中心的主加热元件和位于外侧的热平衡加热元件构成，同一层加热组件中相邻两个主加热元件之间、相邻两个热平衡加热元件之间，以及主加热元件与热平衡加热元件之间电气绝缘；多个所述热平衡加热元件整体呈环状且具有共同的轴心线。由此，所述多层加热元件中每层加热元件都具有相似得形状，并且具有相同的中心线。

每个主加热元件和热平衡加热元件分别与各自独立的加热电源电连接，由此，可以更具实际工况单独控制各加热元件。

进一步地，为了尽可能实现对基片载盘进行加热，所述加热组件下方设有水平隔热板，所述主加热元件和热平衡加热元件均通过支撑柱装在所述水平隔热板上；所述水平隔热板通过支撑元件装在水冷板上，所述水冷板通过支撑柱装在反应器的底板上。进一步地，所述水平隔热板有上下布置的2-10层，上下相邻两层之间通过隔离块隔开。

为了防止热量沿着支撑轴轴向下移，所述旋转支撑轴上部设有筒状的热平衡加热组件。从而解决了旋转支撑轴散热较严重的现象。

优选地，所述筒状隔板的外径小于所述基片载盘的外径。

藉由上述结构，本发明的MOCVD反应器至少包含两层加热元件，支撑元件、电气连接元件及隔热屏蔽组件构成。

本发明所述之加热器具有上下平面，其上平面与基片载盘相对应，下表面与使用该加热器的反应室的反应室底部相邻，作为一种优选方案，加热器的上平面与下平面相互平行。所述加热器的多层加热元件以重叠的方式分布于加热器的上方。

作为一种优选方案，所述加热元件由难熔材料制成，如石墨、钨、铼等。

所述加热元件通过电气连接元件与外部加热电源相连接，所述电器连接连接元件穿过屏蔽层后与加热元件以螺钉连接的方式连接在一起。

所述加热元件由位于加热元件下方的加热元件支撑丝在轴线方向定位。作为一种优选方案，所述支撑丝位于其支撑的加热元件沿轴线方向投影所形成的区域内。

所述热屏蔽组件位于加热元件的下方，其与加热元件及电气连接元件之间具有电气绝缘设计。所述热屏蔽组件包括2-10层热屏蔽板。每层屏蔽板为整板制成或由多块小屏蔽板构成，各层屏蔽板之间通过垫换进行隔开，再辅以支撑柱安装成为热屏蔽组件整体。所述热屏蔽组件下方还分布有一冷却板，其内部通有冷却液。上述之电气连接元件及加热元件支撑元件都已电气绝缘的方式安装于冷却板之上，热屏蔽逐渐中的支撑柱同样也是安装于冷却板上。

作为一种优选方案，所述热屏蔽板由难熔材料制成，如陶瓷、金属钨、钼等。

作为一种优选方案，所述热屏蔽板每层由2-8块小屏蔽层组成。

所述加热元件、多层热屏蔽结构及电极连接元件等结构的外部还环绕有热屏蔽层，所述热屏蔽层为1-4层。

作为一种优选方案，外部环绕的热屏蔽层将组成加热器的水平热屏蔽组件、水冷板及加热器完全包围。

作为一种优选方案，加热元件、多层热屏蔽结构及电极连接元件等结构外部环绕的热屏蔽层的外径小于等于基片载盘的外径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在使用辐射加热的条件下，通过使用在水平面上能够互补的多层加热元件，提高了基片载盘下方面积的利用率，增加了辐射面积，使加热元件在相同温度下能够将载片盘加热到更高的温度，热效率提高达30%，为沉积高质量AlGaN/AlN外延薄膜提供更宽的温度窗口。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是目前辐射加热方式中广泛采用的加热元件的结构示意图；

图2 是钨、铼表面载荷承载能力与温度的曲线关系；

图3是本发明的一种实施实例结构示意图；

图4是本发明中支撑陶瓷及支撑丝的一种结构示意图；

图5是本发明中支撑陶瓷及支撑丝的另一种结构示意图。

具体实施方式

一种MOCVD反应器，如图3所示，该反应器101顶端为分布有气体、冷却液接口组1、2、3、4的气体分布装置6。所述气体接口组1连接第一前体气体接口组，第一前体气体为含有Ⅲ族元素有机物的气体，如含三甲基镓的气体；所述气体接口组2连接第二前体气体供应管道，第二前体气体为含有Ⅴ族元素的气体。所述气体接口组3连接载气气体，如氢气、氮气。所述接口组4为冷却液接口组，其内部为对气体分布装置6进行冷却的冷却液,冷却液为水或油。

所述气体分布装置6下方为基片载盘5，所述基片载盘5通过旋转支撑轴11进行定位，并且所述基片载盘5在旋转支撑轴的带动下进行旋转。基片载盘5上分布有沉积AlN/AlGaN薄膜的基片19。基片载盘5的上表面与气体分布装置6相对，下表面与本发明实施例相对。本发明实施例周边为反应室壁8，下方为使用本发明实施例的反应室底板，底板上,分布有反应气体排气口10。

本发明所述之实施例包含有上下两层加热片14、15、16、17，每层加热片由一个加热元件或多个加热元件构成。

优选的，所述每层加热元件包含有两个加热元件，其上层为加热元件16、17，下层为14、15。

优选的，每层加热元件中的两个加热元件的中心面位于同一水平面上。

优选的，每层加热元件中的两个加热元件分别为主加热元件（14、17）及热平衡加热元件（15、16）。

优选的，上述各加热元件之间电气绝缘，其分别与不同的加热电源相连接，从而能够分别控制其加热功率。

上述实施例中还分布有旋转支撑轴的热平衡加热组件18，以扩大基片载盘5上适合工艺的温区。

所述加热元件14、15、16、17由分布于加热器底部水冷板21上的支撑组件12、13在轴线方向定位。所述支撑组件包含有陶瓷柱12及支撑丝13。其具体连接方式如图4与图5所示。

优选的，陶瓷柱的轴截面形状为椭圆形或多边形等具有中心轴线，并且可以依靠外形进行周向定位的形状。

优选的，支撑丝由难熔材料制成，如钨铼合金。

上述之加热元件下方为热屏蔽组件，热屏蔽组件主要由水平隔热板7、外层隔热板9及水冷板21组成。多层水平隔热板7由支承柱（在图上未示出）定位、由隔离块（图上未示出）将每层隔热板分开。热屏蔽组件安装在水冷板21上，水冷板21由支撑柱22安装于反应室底板上。

本发明中的加热元件使用了在水平面上能够相互补充的多层加热元件，从而能够加大基片载盘下部的辐射面积，从而能够在加热元件表面温度不变的前提下，增加辐射到基片载盘上的热量，达到了在不提高加热元件表面温度的方法，提高了基片载盘的温度。使加热器能够满足沉积高质量AlGaN/AlN外延薄膜对温度窗口的要求。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种MOCVD反应器，包括旋转支撑轴（11），装在旋转支撑轴（11）顶端的基片载盘（5），以及设置在基片载盘（5）下方的加热组件；其特征在于，所述加热组件为上下布置的多层加热组件（14,15,16,17），相邻两层加热组件（14,15,16,17）具有间隙，在所述加热组件设有热屏蔽组件（7）。

2.根据权利要求1所述的MOCVD反应器，其特征在于，多层加热元件在水平面的投影形成实心圆形，该实心圆的直径小于基片载盘（5）的外径。

3.根据权利要求1所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述加热组件为上下布置的2～5层加热组件（14,15,16,17）。

4.根据权利要求1所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述加热组件外周设有筒状隔板（9），该筒状隔板（9）的底端固定在反应器底板上。

5.根据权利要求1-4之一所述的MOCVD反应器，其特征在于，每层加热组件包括多个位于中心的主加热元件和位于外侧的热平衡加热元件构成，同一层加热组件中相邻两个主加热元件之间、相邻两个热平衡加热元件之间，以及主加热元件与热平衡加热元件之间电气绝缘；多个所述热平衡加热元件整体呈环状且具有共同的轴心线。

6.根据权利要求5所述的MOCVD反应器，其特征在于，每个主加热元件和热平衡加热元件分别与各自独立的加热电源电连接。

7.根据权利要求5所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述加热组件下方设有水平隔热板（17），所述主加热元件和热平衡加热元件均通过支撑柱（12）装在所述水平隔热板（17）上；所述水平隔热板（17）通过支撑元件装在水冷板（21）上，所述水冷板（21）通过支撑柱（22）装在反应器的底板上。

8.根据权利要求7所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述水平隔热板（17）有上下布置的2-10层，上下相邻两层之间通过隔离块隔开。

9.根据权利要求1-4之一所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述旋转支撑轴（11）上部设有筒状的热平衡加热组件（18）。

10.根据权利要求4所述的MOCVD反应器，其特征在于，所述筒状隔板（9）的外径小于所述基片载盘（5）的外径。