CN111910177B - 金属有机化合物化学气相沉积反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种MOCVD反应装置，包括载盘及位于载盘下方的加热装置，加热装置包括加热丝组件及支撑加热丝组件的支架组件，加热丝组件包括对应载盘的边缘区域设置的外圈加热丝，支架组件包括支撑外圈加热丝的若干外圈支架，外圈支架包括平行设置的两条外圈支撑脚及连接两条外圈支撑脚的外圈支撑部，外圈支撑部远离两条外圈支撑脚的一侧包括呈平面的支撑面，支撑面包括相连的第一支撑面及第二支撑面，第一支撑面对应两条外圈支撑脚的中间区域设置，第二支撑面朝远离外圈加热丝的中心方向凸伸出第一支撑面，且外圈加热丝位于第一支撑面及第二支撑面上。本发明在原有机台整体不动的情况下，简单改变几个部件的设计便可提高产能，实用性高。

Description

金属有机化合物化学气相沉积反应装置

技术领域

本发明涉及气相沉积领域，尤其涉及一种MOCVD反应装置。

背景技术

MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉积)是在气相外延生长(Vapour Phase Epitaxy，VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。MOCVD是制备化合物半导体外延材料的核心设备，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，主要用于生长各种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，涵盖了所有常见半导体，有着非常广阔的市场前景。

现有技术中，例如型号为K465i机台，其包含的载盘尺寸较小，载盘承载的晶圆数量为14*4(即14片4寸晶圆)，在当今的市场行情下，虽技术及机台的稳定性、一致性都很成熟，但由于产能低，越来越不能满足市场的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MOCVD反应装置，其可以大大提高产能。

为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种MOCVD反应装置，包括：载盘及位于所述载盘下方的加热装置，所述加热装置包括加热丝组件及支撑所述加热丝组件的支架组件，所述加热丝组件包括对应所述载盘的边缘区域设置的外圈加热丝，所述支架组件包括支撑所述外圈加热丝的若干外圈支架，所述外圈支架包括平行设置的两条外圈支撑脚及连接两条外圈支撑脚的外圈支撑部，所述外圈支撑部远离两条外圈支撑脚的一侧包括呈平面的支撑面，所述支撑面包括相连的第一支撑面及第二支撑面，所述第一支撑面对应两条外圈支撑脚的中间区域设置，所述第二支撑面朝远离所述外圈加热丝的中心方向凸伸出所述第一支撑面，且所述外圈加热丝位于所述第一支撑面及所述第二支撑面上。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述载盘呈圆形，所述载盘的直径范围为480～500mm，所述外圈加热丝的外径范围为480～500mm。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述外圈支架一体成型，且两条外圈支撑脚及所述外圈支撑部位于同一平面内。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述支撑面上任意一点至水平面的距离均相等。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述加热装置还包括基板、位于所述基板及所述加热丝组件之间的隔热组件及陶瓷基座，所述基板包括安装孔，所述隔热组件包括贯穿孔，所述陶瓷基座设置于所述贯穿孔及所述安装孔内，且所述陶瓷基座具有容纳腔，所述外圈支架的两条外圈支撑脚限位于所述容纳腔内。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述隔热组件包括若干叠置的隔热片，所述隔热组件的外径范围为480～500mm，所述基板的外径小于所述隔热组件的外径。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述加热装置还包括连接所述基板的支撑部，所述支撑部延伸至所述外圈加热丝的外侧缘处。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述MOCVD反应装置还包括环绕所述加热装置设置的罩体，所述罩体的内径范围为480～500mm。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述MOCVD反应装置还包括集灰环，所述罩体连接所述集灰环，所述集灰环上设置有若干排气孔。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述MOCVD反应装置还包括呈中空环状的挡板，所述挡板的侧壁的上端面具有第一宽度，所述第一宽度的取值范围为16.9～26.9mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明一实施方式在原有机台整体不动的情况下，简单改变几个部件的设计便可大大提高产能，实用性高。

附图说明

图1是本发明一实施方式的MOCVD反应装置示意图；

图2是本发明一实施方式的挡板示意图；

图3是图2中A-A区域对应现有技术的剖视图；

图4是图2中A-A区域对应本发明一实施方式的剖视图；

图5是本发明一实施方式的加热装置立体图；

图6是本发明一实施方式的加热装置俯视图；

图7是本发明一实施方式的加热装置侧视图；

图8是本发明一实施方式的中圈支架示意图；

图9是本发明一实施方式的外圈支架示意图；

图10是本发明一实施方式的罩体及集灰环配合示意图；

图11是本发明一实施方式的罩体示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。

另外，本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。

结合图1，为本发明一实施方式的MOCVD反应装置100的示意图。

MOCVD反应装置100包括载盘10、挡板20、加热装置30、罩体40及集灰环50等。

在本实施方式中，载盘10位于MOCVD反应装置100的反应腔S内，载盘10为石墨压制形成的石墨大盘，载盘10上形成有承载晶圆的若干承载腔101。

这里，载盘10呈圆形，载盘10的直径范围为480～500mm，此时，载盘 10可在原有K465i机台产量的基础上增加1～5片产量，使得单腔产出的产能增大，在本实施方式中，此时的载盘10可承载16片4寸晶圆。

需要说明的是，本实施方式的MOCVD反应装置100可以是现有的K465i 机台(或者是K300、K465等)，在原有机台整体不动的基础上，通过改变部分部件便可以实现产能的提高，例如，此时载盘10的直径由原来的465mm 变更为480～500mm，在工艺程序时间相差不大的情况下，单腔产出的产能增大，其他部件的改变可参考下述说明。

另外，载盘10的中心固定于驱动轴60上以实现载盘10的旋转，MOCVD 反应装置100还包括源供给系统70等结构，源供给系统70用于为反应腔S 提供反应气体，载盘10旋转可使得反应气体均匀沉积在各个晶圆上。

在本实施方式中，挡板20呈中空环状，且挡板20环绕载盘10设置，挡板20能够上下移动，从而能够充分的满足MOCVD自动化生产的要求。

在MOCVD设计中，其最重要的部分在于反应腔S内部流场及热场的设计，只有设计最合适的流场及热场才能使反应腔S内部的反应过程平稳进行，提高反应物源材料的利用率，并提高沉积薄膜的质量，在垂直式MOCVD中，设置于载盘10旁边的挡板20显得尤其重要，其直接影响载盘10上方的流场分布，并且由于该挡板20离载盘10很近，其对载盘10表面的温场分布也具有一定程度的影响，挡板20可在生长过程中为反应腔S提供一个环绕型稳定的空间，气流经过反应腔S不会有气流乱串的现象发生。

结合图2，为挡板20的示意图。

挡板20包括挡板本体21及输送管道22，挡板本体21内具有冷却水腔体，输送管道22输送冷却水至冷却水腔体内，如此，挡板20本身的温度可以大大降低。

这里，由于在实际的反应过程中，载盘10温度极高，温度较低的挡板 20可以实现较佳的隔热效果，而且，可以防止反应腔S高温影响邻近设置的其他部件(例如密封圈、传盘口、观察窗口等)，另外，反应产生的杂质可以沉积在温度较低的挡板本体21侧壁上，后续清理挡板本体21即可。

结合图3及图4，图3、图4为图2中A-A的剖面图，图3对应K465i 机台原有的挡板，图4对应本实施方式对应的挡板20，为了便于说明，相同的部件采用相同的名称。

可以看到，在图3中，原有挡板的挡板本体21’的侧壁的上端面具有第一宽度L1’，第一宽度L1’＝34.4mm，下端面具有第二宽度L2’＝24.8mm，在图4中，本实施方式的挡板20的挡板本体21的侧壁的上端面具有第一宽度 L1，第一宽度L1的取值范围为16.9～26.9mm(34.4-[(500-465)/2]≤L1≤ 34.4-[(480-465)/2])，同理，下端面的第二宽度L2与第一宽度L1同比变化。

也就是说，为了适应尺寸变大的载盘10，在保证挡板本体21外径不变的情况下，对挡板本体21的侧壁进行减薄处理，以使得挡板本体21与载盘 10之间仍可以保证有合适的间隙，如此，挡板本体21的其他部分以及与挡板本体21连接的其他部件均不需要做改变，大大简化了改进工艺。

在本实施方式中，加热装置30位于载盘10下方，加热装置30用于为载盘10加热以使得载盘10保持在外延生长温度范围内，从而实现薄膜的成型，目前，普遍采用的加热方式是辐射加热，依靠加热装置30的热辐射使载盘10升温。

结合图5至图7，加热装置30包括基板31、位于基板31上方的加热丝组件32、支撑加热丝组件32的支架组件33、位于基板31及加热丝组件32 之间的隔热组件34及陶瓷基座35，驱动轴60穿过加热装置30而连接至载盘10。

加热丝组件32大致呈圆盘状，由加热丝组件32中心朝向外缘的方向上，加热丝组件32依次包括内圈加热丝321、中圈加热丝322及外圈加热丝323。

这里，内圈加热丝321邻近且环绕驱动轴60设置，内圈加热丝321可以是环状金属片，中圈加热丝322为螺旋环状结构，中圈加热丝322环绕内圈加热丝321设置，外圈加热丝323为一圈环状结构，外圈加热丝323环绕中圈加热丝322设置，且外圈加热丝323对应载盘10的边缘区域设置，外圈加热丝的外径范围为480～500mm，如此，可适配载盘10的变化，使得加热丝组件32仍可以均匀且全面加热载盘10。

相较于原有的K465i机台，本实施方式在保持内圈加热丝321、中圈加热丝322位置及大小不变的情况下，加大外圈加热丝323的尺寸(外圈加热丝323原来的外径大致为465mm)。

具体的，本实施方式加大了外圈加热丝323的外径及内径，而外圈加热丝323的内圈侧壁及外圈侧壁之间的间距保持不变，也就是说，此时仅是将外圈加热丝323放大，外圈加热丝323的宽度并没有改变，外圈加热丝323 与中圈加热丝322之间的间隙也相应的变大，且间隙的变化幅度同比于外圈加热丝323的变化幅度，再换句话说，相较于原有的K465i机台，本实施方式的外圈加热丝323外移以适配尺寸变大的载盘10。

加热丝组件32还包括加热丝电极，例如外圈加热丝电极323a、中圈加热丝电极322a等，通过加热丝电极可给对应的加热丝供电以使得对应的加热丝产生热量。

支架组件33包括支撑中圈加热丝322的若干中圈支架332及支撑外圈加热丝323的若干外圈支架333。

这里，结合图8，中圈支架332大致呈“门”字型，中圈支架332包括平行设置的两条中圈支撑脚3321及连接两条中圈支撑脚3321的中圈支撑部3322，中圈支撑部3322垂直于两条中圈支撑脚3321，若干中圈支架332环绕形成若干圈以支撑中圈加热丝322。

结合图9，外圈支架333包括平行设置的两条外圈支撑脚3331及连接两条外圈支撑脚3331的外圈支撑部3332，若干外圈支架333环绕形成一圈以支撑外圈加热丝323。

这里，基板31包括安装孔311，隔热组件34包括贯穿孔341，陶瓷基座35 设置于贯穿孔341及安装孔311内，且陶瓷基座35具有容纳腔351，中圈支架 332的两条中圈支撑脚3321及外圈支架333的两条外圈支撑脚3331限位于容纳腔351内，如此，便实现了中圈支架332及外圈之间333的固定。

隔热组件34包括若干叠置的隔热片34a，隔热组件34的外径范围为 480～500mm，基板31的外径小于隔热组件34的外径。

也就是说，相较于原有的K465i机台，本实施方式保持基板31不变的情况下，加大了隔热组件34及外圈加热丝323的尺寸，以适应载盘10的尺寸变化。

需要说明的是，基板31处连接有很多部件，例如，连通加热丝电极的供电部件、各类支架等等，基板31不改变，那么连接基板31的很多部件也不需要做改变，大大简化了改进工艺。

继续结合图9，外圈支架333的外圈支撑部3332远离两条外圈支撑脚3331 的一侧包括呈平面的支撑面3333，支撑面3333包括相连的第一支撑面3333a及第二支撑面3333b，第一支撑面3333a对应两条外圈支撑脚3331的中间区域设置，第二支撑面3333b朝远离外圈加热丝323的中心方向凸伸出第一支撑面 3333a，且外圈加热丝323位于第一支撑面3333a及第二支撑面3333b上。

也就是说，本实施方式在不改变两条外圈支撑脚3331的位置的基础上，通过形成向外延伸的第二支撑面3333b来适应外移的外圈加热丝323，此时，由于两条外圈支撑脚3331的位置不变，陶瓷基座35的位置也无需改变，安装孔311 及贯穿孔341的位置也无需改变，大大简化了改进工艺。

具体的，外圈支架333一体成型，且两条外圈支撑脚3331及外圈支撑部3332 位于同一平面内，也就是说，可以在一个平面内通过弯折一根直线型材料而形成该外圈支架333，工艺简单，且成型效果好。

这里，第二支撑面3333b与邻近的外圈支撑脚3331之间具有连接部3334，第二支撑面3333b与连接部3334之间的夹角为锐角，但不以此为限。

本实施方式的支撑面3333上任意一点至水平面的距离均相等，也就是说，支撑面3333为一个平面。

另外，加热装置30还包括连接基板31的支撑部，支撑部延伸至外圈加热丝333的外侧缘处，这里，支撑部可延伸并突出于外圈加热丝333的上表面，且支撑部紧靠外圈加热丝333设置，当外圈加热丝333发生形变时，支撑部可抵靠外圈加热丝333而阻止外圈加热丝333发生形变。

在本实施方式中，罩体40环绕加热装置30设置。

这里，罩体40为钼罩，罩体40可以起到保护加热装置30的作用，罩体40 可以避免反应产生的杂质进入加热装置30的底部，当有气流通入时，由于罩体 40的阻挡作用，可以稳定气流。

罩体40的内径范围为480～500mm，以适应加热装置30的尺寸变化。

结合图10，集灰环50上设置有若干排气孔51，生长的气流及反应后的化合物通过集灰环50中排气孔51排出反应腔S，残留杂质滞留在集灰环50内。

罩体40连接集灰环50，此时，考虑到罩体40及集灰环50的总高度需要满足设计要求，相较于原有的K465i机台，罩体40的高度可适当减小，减小的幅度例如为集灰环50的高度。

这里，结合图11，罩体40包括罩体本体41及向外延伸出罩体本体41的外延部42，可通过螺丝或其他固定件将外延部42与集灰环50相互固定，此时，集灰环50上的排气孔51可做适当的让位设计。

综上所述，本发明在原有机台整体不动的情况下，简单改变几个部件的设计便可大大提高产能，实用性高。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属有机化合物化学气相沉积反应装置，其特征在于，包括：载盘及位于所述载盘下方的加热装置，所述加热装置包括加热丝组件及支撑所述加热丝组件的支架组件，所述加热丝组件包括对应所述载盘的边缘区域设置的外圈加热丝，所述支架组件包括支撑所述外圈加热丝的若干外圈支架，所述外圈支架包括平行设置的两条外圈支撑脚及连接两条外圈支撑脚的外圈支撑部，所述外圈支撑部远离两条外圈支撑脚的一侧包括呈平面的支撑面，所述支撑面包括相连的第一支撑面及第二支撑面，所述第一支撑面对应两条外圈支撑脚的中间区域设置，所述第二支撑面朝远离所述外圈加热丝的中心方向凸伸出所述第一支撑面，且所述外圈加热丝位于所述第一支撑面及所述第二支撑面上。

2.根据权利要求1所述的金属有机化合物化学气相沉积反应装置，其特征在于，所述载盘呈圆形，所述载盘的直径范围为480~500mm，所述外圈加热丝的外径范围为480~500mm。

3.根据权利要求1所述的金属有机化合物化学气相沉积反应装置，其特征在于，所述外圈支架一体成型，且两条外圈支撑脚及所述外圈支撑部位于同一平面内。

4.根据权利要求1所述的金属有机化合物化学气相沉积反应装置，其特征在于，所述第一支撑面及所述第二支撑面上任意一点至水平面的距离均相等。

5.根据权利要求1所述的金属有机化合物化学气相沉积反应装置，其特征在于，所述加热装置还包括基板、位于所述基板及所述加热丝组件之间的隔热组件及陶瓷基座，所述基板包括安装孔，所述隔热组件包括贯穿孔，所述陶瓷基座设置于所述贯穿孔及所述安装孔内，且所述陶瓷基座具有容纳腔，所述外圈支架的两条外圈支撑脚限位于所述容纳腔内。

6.根据权利要求5所述的金属有机化合物化学气相沉积反应装置，其特征在于，所述隔热组件包括若干叠置的隔热片，所述隔热组件的外径范围为480~500mm，所述基板的外径小于所述隔热组件的外径。

7.根据权利要求5所述的金属有机化合物化学气相沉积反应装置，其特征在于，所述加热装置还包括连接所述基板的支撑部，所述支撑部延伸至所述外圈加热丝的外侧缘处。

8.根据权利要求1所述的金属有机化合物化学气相沉积反应装置，其特征在于，所述金属有机化合物化学气相沉积反应装置还包括环绕所述加热装置设置的罩体，所述罩体的内径范围为480~500mm。

9.根据权利要求8所述的金属有机化合物化学气相沉积反应装置，其特征在于，所述金属有机化合物化学气相沉积反应装置还包括集灰环，所述罩体连接所述集灰环，所述集灰环上设置有若干排气孔。

10.根据权利要求1所述的金属有机化合物化学气相沉积反应装置，其特征在于，所述金属有机化合物化学气相沉积反应装置还包括呈中空环状的挡板，所述挡板的侧壁的上端面具有第一宽度，所述第一宽度的取值范围为16.9~26.9mm。

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