CN104746037B - 反应腔和mocvd设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反应腔，其中，该反应腔包括腔室主体和设置在腔室主体中的导电的承载件，该承载件包括形成为中空筒状的本体和形成在该本体外表面上的多个用于承载基片的承载槽。本发明还提供一种包括所述反应腔的MOVCD设备。在本发明书所提供的反应腔中，承载件外表面的产生的涡流最大，因此，外表面产生的热量最多。将基片设置在承载件的外表面上对基片进行加热可以有效地利用感应加热所产生的热量。并且，由于承载件的本体的外表面产生的热量均匀，所以，利用本发明所提供的反应腔进行MOCVD工艺时，设置在承载件的承载槽内的基片受热均匀，可以满足生长区温度差不超过±1℃的要求。

Description

反应腔和MOCVD设备

技术领域

本发明涉及半导体设备制造领域，具体地，涉及一种反应腔和一种包括该反应腔的MOCVD设备。

背景技术

MOCVD是金属有机化合物化学气相淀积（Metal-organic Chemical VaporDeposition）的英文缩写。MOCVD是在气相外延生长（VPE）的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。它以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。

图1所示的是一种现有的MOCVD设备的示意图，图2中所示的是该MOCVD设备的反应腔内MOCVD生长过程示意图。

如图1所示，MOCVD设备包括反应腔10和设置在反应腔10外部的感应线圈20，反应腔10包括腔室主体11和设置在腔室主体11内部的多层石墨托盘12。该石墨托盘12用于承载基片。

在进行MOCVD反应时，氢气运载着MO（Metal-organic，金属有机化合物）和氢化物进入反应腔10内部。MO和氢化物随着氢气流向位于石墨托盘12上的基片。随着反应腔10内温度升高，反应腔10内发生的气相反应为MO和氢化物之间形成聚合物，当反应腔10内温度继续升高时，MO和氢化物及二者的聚合物逐步分解，甚至气相成核。气相中形成的反应品种扩散至基片表面后被吸附，随后吸附的反应品种会在基片的表面扩散并继续发生表面反应，并最终进入基片的经过形成外延层。表面反应的副产物从生长表面解吸，通过扩散回到住气流，被氢气带出反应腔。

MOCVD生长过程有如下要求：一是要求加热后石墨托盘12的温度均匀性良好，在生长区的温差不超过±1℃；二是反应气体在反应区要有稳定的流场。

图2中所示的是图1中所示的MOCVD设备中的电场分布图，从图中可以看出，电场线从反应腔中心到反应腔内表面由疏到密，而石墨托盘12与感应线圈20通信设置，因此导致了石墨托盘12表面外围温度高，中间温度低，从而不能满足MOCVD生长的要求。

因此，如何在满足快速升温及降温的前提下，保证外延生长区的温度均匀性成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反应腔和一种包括该反应腔的MOCVD设备。在利用该MOCVD设备进行MOCVD工艺时，基片的外延生长区温度均匀。

作为本发明的一个方面，提供一种反应腔，其中，该反应腔包括腔室主体和设置在腔室主体中的导电的承载件，该承载件包括形成为中空筒状的本体和形成在该本体外表面上的多个用于承载基片的承载槽。

优选地，所述本体的外表面形成为回转表面，所述承载件能够绕所述本体的中心轴线转动。

优选地，所述承载槽的深度方向垂直于所述本体的外表面，所述承载槽的底面与所述承载件的本体的外表面平行，所述承载槽的底面与所述承载件的本体的轴向方向的夹角在10°至15°之间。

优选地，所述本体的壁厚沿所述本体的中心轴线从上至下逐渐减小。

优选地，所述反应腔包括设置在所述承载件顶端的连接板和与该连接板相连的旋转轴，该旋转轴与所述承载件的本体同轴设置，且所述旋转轴沿所述承载件的本体的轴向方向延伸至所述腔室主体外部。

优选地，所述腔室主体包括内壁和与该内壁间隔设置的外壁，所述内壁和所述外壁之间形成反应空间，所述承载件设置在所述反应空间。

优选地，所述腔室主体包括设置在所述外壁上端的上端盖、设置在该所述外壁下端的下端盖和设置在所述内壁上端的内端盖，所述内壁的下端设置在所述下端盖上，所述内壁、所述外壁、所述上端盖、所述下端盖和所述内端盖围成所述反应空间。

优选地，所述上端盖上设置有进气孔，所述下端盖上有排气孔。

作为本发明的另一个方面，提供一种MOCVD设备，该MOCVD设备包括反应腔、感应线圈、进气系统和排气系统，其中，所述反应腔为本发明所提供的上述反应腔，所述进气系统和所述排气系统分别与所述反应腔相通，所述感应线圈同轴地设置在所述承载件的本体的内腔中。

优选地，所述MOCVD设备还包括感应线圈支架，该感应线圈支架设置在所述本体的内腔中，所述感应线圈缠绕在所述感应线圈支架上，且所述感应线圈的每一圈与所述承载件的外表面之间的距离相等。

在本发明书所提供的反应腔中，承载件外表面的产生的涡流最大，因此，外表面产生的热量最多。将基片设置在承载件的外表面上对基片进行加热可以有效地利用感应加热所产生的热量。并且，由于承载件的本体的外表面产生的热量均匀，所以，利用本发明所提供的反应腔进行MOCVD工艺时，设置在承载件的承载槽内的基片受热均匀，可以满足生长区温度差不超过±1℃的要求。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有的MOCVD设备的示意图；

图2为利用图1中所示的MOCVD设备进行MOCVD工艺时的电场线分布图；

图3是本发明所提供的MOCVD设备的主剖示意图；

图4展示了利用图3中所示的MOCVD设备进行MOCVD工艺时，承载件一个横截面上的磁场和电流；

图5是图3中所示的MOCVD设备的反应腔的示意图；

图6是图5中所示的反应腔的腔室主体的示意图；

图7是图5中所示的反应腔的承载件的示意图；

附图标记说明

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

作为本发明的一个方面，如图3和图5所示，提供一种反应腔10，其中，该反应腔10包括腔室主体11和设置在腔室主体11中的导电的承载件13，该承载件13包括形成为中空筒状的本体13a和形成在该本体13a外表面上的多个用于承载基片的承载槽13b。

由于承载件13的本体13a为中空的筒状，因此，本体13a具有内腔。如图3所示，在包括本发明所提供的上述反应腔10的MOCVD设备中，感应线圈20设置在承载件13的本体13a的内腔中。如图4所示，可以将承载件13的本体13a看作由多个具有相同横截面积的同心薄层组成，感应电流沿同心薄层穿过，相当于整个载流的承载件13由许多薄层筒状电流线组成。与承载件13横截面中心线重合的电流线与全部磁通交链，而靠近承载件13外层的薄层圆形电流线只与外部磁通交链，因此，外层的感应电场比内层的感应电场小，从而外层电流值大，这就是所谓的趋肤效应。根据电磁感应定律，承载件13中产生的涡流可以用如下公式求得：

其中，V为外加电场的瞬时值；

E为感应电场的瞬时值；

R为直流时承载件的电阻；

i为电流的瞬时值。

由上述公式可知，承载件13外表面的产生的涡流最大，因此，外表面产生的热量最多。将基片设置在承载件13的外表面上对基片进行加热可以有效地利用感应加热所产生的热量。并且，由于承载件13的本体13a的外表面产生的热量均匀，所以，利用本发明所提供的反应腔进行MOCVD工艺时，设置在承载件13的承载槽13b内的基片受热均匀，可以满足生长区温度差不超过±1℃的要求。

如上文中所述，承载件13应当由导电的材料制成，以产生感应热量。在本发明中，可以利用石墨制成承载件13。

为了使承载件13上的各个基片都具有相通的温度，优选地，可以将多个承载槽13b均匀地设置在承载件13的外表面上，从而使得在进行MOCVD工艺时，基片可以均匀地分布在承载件13的外表面上。

为了进一步提高承载件13的外表面沿圆周方向的温度的均匀性，优选地，可以将本体13a的外表面设置为回转表面，并将承载件13设置为可以绕本体13a的中心轴线转动。即，在未加工承载槽13b时，本体13a的外表面可以为圆锥表面或圆柱表面等回转表面。在本发明所提供的实施方式中，未加工承载槽13b时，承载件13的本体13a的外表面为圆锥表面。

为了使在进行MOCVD工艺时基片受热更加均匀，优选地，可以将承载槽13b设置为该承载槽13b的深度方向垂直于本体13a的外表面，承载槽13b的底面平行于本体13a的外表面。当将基片设置在承载槽13b中时，所述基片的一个端面可以贴合在承载槽13b的底面上，以增加基片的受热面积，使基片受热更加均匀。

当承载槽13b中的基片随承载件13一起环绕承载件13的本体13a的中心轴线转动时，基片受到离心的作用。为了确保基片始终位于承载件13的承载槽13b内，承载槽13b的底面与本体13a的轴向方向的夹角可以设置在10°至15°之间。如上文中所述，承载槽13b的底面与承载件13的本体13a的外表面平行，因此，承载件13的本体13a的外表面的母线与本体13a的中心轴线之间的夹角α也可以设置在10°至15°之间。

当基片设置在承载槽13b中时，可以利用基片自身的重力作用，使基片的端面与承载槽13b的底面相贴合，并且可以防止在承载件13绕本体13a的中心轴线转动时，基片因自身的离心力而从承载槽13b中脱离。为了进一步确保基片稳定地设置在承载槽13b中，优选地，本体13a的旋转速度不大于5r/min。

为了确保在进行MOCVD工艺时，承载件13的本体13a的轴向方向上温度一致，优选地，可以将承载件13的本体13a设置为该本体13a的壁厚沿该本体13a的中心轴线从上至下逐渐减小，从而使得承载件13的本体13a的外表面上各处与感应线圈20之间的距离都相等。由于承载件13的本体13a沿轴向的温度均匀，所以设置在承载件13上部的基片与设置在承载件13下部的基片温度基本相同。

如上文中所述，承载件13可以绕本体13a的中心轴线旋转，反应腔10可以包括设置在承载件13顶端的连接板14和与该连接板14相连的旋转轴15，该旋转轴15与承载件13的本体13a同轴设置，且旋转轴15沿承载件13的本体13a的轴向方向延伸至腔室主体11的外部。旋转轴15位于腔室主体11外部的部分与驱动电机的输出轴相连，驱动电机通过旋转轴15带动承载件13的本体13a旋转。如上文中所述，承载件13的本体13a的旋转速度优选不大于5r/min，因此，可以在驱动电机的输出轴与旋转轴15之间设置减速箱。

如图3、图5和图6所示，腔室主体11可以包括内壁11b和与该内壁11b间隔设置的外壁11a，内壁11b和外壁11a之间形成反应空间，承载件13设置在所述反应空间中。容易理解的是，在这种情况中，感应线圈20和内壁11b均设置在承载件13的本体13a的内腔中，内壁11b的主要作用是将进行MOCVD工艺时的反应气体与感应线圈20隔开。在本发明中，内壁11b和外壁11a均可以由石英材料制成。

具体地，如图6所示，腔室主体11可以包括设置在该外壁11a上端的上端盖16、设置在外壁11a下端的下端盖17和设置在内壁11b上端的内端盖18，内壁11b的下端设置在下端盖17上，从而使得内壁11b、外壁11a、上端盖16、下端盖17和内端盖18围成所述反应空间。在本发明中，可以利用石英材料制成上端盖16、下端盖17和内端盖18。

在进行MOVCD工艺时，将工艺气体通入所述反应空间中，工艺结束后将气体排出所述反应空间。

在本发明中，对进气孔和排气孔设置的具体位置并没有特殊限定，只要可以将反应气体引入反应空间，并将反应结束后的气体排出反应空间即可。例如，可以在外壁11a上设置进气孔和排气孔。为了便于设置，优选地，可以将进气孔16a设置在上端盖16上，将排气孔17a设置在下端盖17上。进气系统提供的工艺气体通过进气孔16a通入所述反应空间内，排气系统通过排气孔17a将反应空间内反应后的气体排出反应空间。

如图5和6中所示，当所述反应腔包括旋转轴15时，可以在上端盖16上设置安装孔16b，旋转轴15的上端延伸穿过安装孔16b，到达反应腔10的外部。

作为本发明的另一个方面，如图3所示，提供一种MOCVD设备，该MOCVD设备包括反应腔、感应线圈20、进气系统（未示出）和排气系统（未示出），其中，所述反应腔为本发明所提供的上述反应腔，所述进气系统和所述排气系统分别与所述反应腔相通，感应线圈20同轴地设置在承载件13的本体13a的内腔中。

应当理解的是，当反应腔包括内壁11b和外壁11a时，所述进气系统和所述排气系统均与形成在内壁11b和外壁11a之间的反应空间相通。

如上文中所述，当利用本发明所提供的MOCVD设备进行MOCVD工艺时，感应线圈20对承载件13感应加热产生的热量大部分都分布在承载件13的外表面上，从而既可以使得设置在承载件13的外表面上的承载槽13b内的基片可以受热均匀，又可以提高对感应加热所产生的热量的利用率。

为了便于设置感应线圈20，如图3所示，优选地，所述MOCVD设备还可以包括感应线圈支架30，该感应线圈支架30设置在本体13a的内腔中，感应线圈20缠绕在感应线圈支架30上。为了确保承载件13外表面上的温度均匀分布，优选地，感应线圈20的每一圈与承载件13的外表面之间的距离相等。即，当本体13a的外表面形成为回转表面时，感应线圈20的外表面也形成为与本体13a相似的回转表面。例如，在本发明所提供的实施方式中，本体13a的外表面形成为圆锥表面，则，感应线圈20也相应地形成为圆锥台形。

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 (8)

1.一种反应腔，其特征在于，该反应腔包括腔室主体和设置在腔室主体中的导电的承载件，该承载件包括形成为中空筒状的本体和形成在该本体外表面上的多个用于承载基片的承载槽，所述本体的外表面形成为回转表面，所述承载件能够绕所述本体的中心轴线转动，所述本体的壁厚沿所述本体的中心轴线从上至下逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的反应腔，其特征在于，所述承载槽的深度方向垂直于所述本体的外表面，所述承载槽的底面与所述承载件的本体的外表面平行，所述承载槽的底面与所述承载件的本体的轴向方向的夹角在10°至15°之间。

3.根据权利要求1所述的反应腔，其特征在于，该反应腔包括设置在所述承载件顶端的连接板和与该连接板相连的旋转轴，该旋转轴与所述承载件的本体同轴设置，且所述旋转轴沿所述承载件的本体的轴向方向延伸至所述腔室主体外部。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的反应腔，其特征在于，所述腔室主体包括内壁和与该内壁间隔设置的外壁，所述内壁和所述外壁之间形成反应空间，所述承载件设置在所述反应空间。

5.根据权利要求4所述的反应腔，其特征在于，所述腔室主体包括设置在所述外壁上端的上端盖、设置在该所述外壁下端的下端盖和设置在所述内壁上端的内端盖，所述内壁的下端设置在所述下端盖上，所述内壁、所述外壁、所述上端盖、所述下端盖和所述内端盖围成所述反应空间。

6.根据权利要求5所述的反应腔，其特征在于，所述上端盖上设置有进气孔，所述下端盖上有排气孔。

7.一种MOCVD设备，该MOCVD设备包括反应腔、感应线圈、进气系统和排气系统，其特征在于，所述反应腔为权利要求1至6中任意一项所述的反应腔，所述进气系统和所述排气系统分别与所述反应腔相通，所述感应线圈同轴地设置在所述承载件的本体的内腔中。

8.根据权利要求7所述的MOCVD设备，其特征在于，该MOCVD设备还包括感应线圈支架，该感应线圈支架设置在所述本体的内腔中，所述感应线圈缠绕在所述感应线圈支架上，且所述感应线圈的每一圈与所述承载件的外表面之间的距离相等。