CN118086862A - 相对旋转式mocvd设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种相对旋转式MOCVD设备，包括：反应腔壳，用于提供供反应气体发生化学反应的环境；内筒(41)，设置在反应腔壳内，所述内筒(41)与反应腔壳之间形成反应气体通道(51)；以及致动装置(11)，其中，所述MOCVD设备被配置为使得内筒(41)和反应腔壳之间能够相对旋转；其中，所述致动装置(11)设置在反应腔壳外部，与内筒(41)或反应腔壳直接地或间接地连接，用于驱动内筒(41)或反应腔壳旋转。本发明的相对旋转式MOCVD设备具有改善的温度均匀性、气体流动均匀性和/或气体浓度均匀性，能够提高半导体器件的沉积质量，能够增大产能。

Description

相对旋转式MOCVD设备

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其是半导体外延薄膜气相沉积技术，具体地，涉及一种相对旋转式MOCVD设备。

背景技术

金属有机化学气相沉积，即MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)，是制备化合物半导体薄膜的一项关键技术，被广泛地应用在半导体领域和光伏领域。在MOCVD设备中通入Ⅲ族有机金属反应物与Ⅴ族氢化物，加热使之发生化学反应，两者的反应产物在被加热的衬底上沉积，可生成需求产品，即Ⅲ、Ⅴ族化合物薄膜。

MOCVD技术通常应用MOCVD反应器实现，现有的典型商用MOCVD反应器包括行星式反应器、垂直喷淋式MOCVD反应器和高速旋转式MOCVD反应器。其中，垂直喷淋式MOCVD反应器的主要工作原理是使用喷淋头将反应气体(Ⅲ族有机金属反应物和Ⅴ族氢化物的混合气体)进行均匀喷淋，从而使反应气体在被加热衬底上发生反应，完成化学反应的反应气体在衬底上生长出所需求的化合物薄膜；未参加反应的反应气体以及生成物气体作为废气排出MOCVD反应器；对于行星式反应器，反应室内设置有能够旋转的石墨基座，石墨基座呈圆盘状，若干个衬底构成一组，多个衬底组圆周地均匀设置在石墨基座上，石墨基座能够公转，同时每个衬底组自转，Ⅲ族和Ⅴ族反应剂从上盖中央进入，通过格栅沿石墨基座和天棚之间的环形空间呈辐射状向外缘水平流动，利用自转加公转获得了每片衬底表面均匀的生长速度。

目前的MOCVD反应室多采用静止型设计，即在设备运行的过程中，反应室始终保持静止状态。但是，气体在流动的过程中，气体通道的横截面积会发生变化，无法保证气体流动的流场、速度场的均匀性，反应气体浓度的沿程损耗明显，无法保证到达衬底处的反应气体的浓度在各处保持一致，从而严重影响了在衬底上生长的化合物薄膜厚度均匀性及组分均匀性，降低了化合物薄膜产品的良率。

此外，由于半导体薄膜沉积对反应气体的温度场、速度场、浓度场均有较高要求，而且随着对半导体芯片性能要求的提高，多场均匀性的要求仍在不断提高。同时，半导体行业对大面积、高产能、高质量的薄膜沉积设备的需求非常迫切。现有反应室结构的局限性在于难以提高产能，这是因为，为提高产能需要增大反应室的尺寸，而随着反应室尺寸的增大，温度场、速度场、浓度场的均匀性会随之下降，要达到较高产能具有非常大的困难。

首先，目前传统的MOCVD反应室的基座尺寸的增大会对温度均匀性提出挑战。在反应室内，需要保持稳定的高温环境以促进外延薄膜生长，当圆盘形基座尺寸增大时，反应室内的温度分布变得越来越不均匀，从而导致生长过程中的温度梯度增加。因此，外延生长均匀性对基座尺寸较为敏感，在较小的基座上，外延薄膜的生长相对容易实现均匀，而当基座尺寸增大时，外延薄膜在基座表面的分布变得更加复杂，这可能导致不均匀的沉积厚度和材料组分分布，从而影响器件的性能和一致性。

其次，MOCVD薄膜生长过程中，对气体组分控制的要求也非常高，气体的成分和流动均匀性对薄膜生长过程中的反应速率和物质输运起着重要作用。基座尺寸增大导致中心进气的气流在基座不同直径处的分布均匀性差异越来越大，从而影响材料生长过程中的气氛控制，这可能导致生长材料质量的不一致性，进而影响器件性能。

总之，对于现有的MOCVD设备，通过增大基座尺寸可以提高MOCVD设备的产能，但是伴随着流动均匀性、温度均匀性、气体组分控制等问题，因此，所获得产能增长是有限的。

发明内容

本发明的目的在于至少部分地克服现有技术的缺陷，提供一种新型的MOCVD设备。本发明的目的可能为多个，但并不意在解决所有问题、达到所有目的，只要解决其中一个技术问题就达到了本发明的目的。

本发明的目的还在于提供一种相对旋转式MOCVD设备，具有改善的温度均匀性、气体流动均匀性和/或气体浓度均匀性。

本发明的目的还在于提供一种相对旋转式MOCVD设备，能够提高半导体器件的沉积质量。

本发明的目的还在于提供一种相对旋转式MOCVD设备，使用该设备能够增大产能，或者说能够在获得高质量、高性能的沉积产品的同时也易于加大产能。

为达到上述目的或目的之一，本发明的技术解决方案如下：

一种相对旋转式MOCVD设备，所述MOCVD设备包括：

反应腔壳，用于提供供反应气体发生化学反应的环境；

内筒，设置在反应腔壳内，所述内筒与反应腔壳之间形成反应气体通道；以及

致动装置，

其中，所述MOCVD设备被配置为使得内筒和反应腔壳之间能够相对旋转；

其中，所述致动装置设置在反应腔壳外部，与内筒或反应腔壳直接地或间接地连接，用于驱动内筒或反应腔壳旋转。

根据本发明的一个优选实施例，所述致动装置通过传动轴与内筒或反应腔壳传动连接。

根据本发明的一个优选实施例，所述致动装置通过磁力耦合器与内筒传动连接，所述磁力耦合器包括设置在反应腔壳外的主动旋转单元和设置在反应腔壳内的从动旋转单元，所述主动旋转单元以非接触的方式驱动从动旋转单元；所述主动旋转单元与致动装置连接，所述从动旋转单元与内筒连接。

根据本发明的一个优选实施例，所述内筒的中心被转轴贯穿，并且内筒与转轴相对固定使得内筒与转轴能够一起旋转；或者

转轴设置在内筒的沿纵向轴线的两端上，转轴不贯穿内筒的中心，并且内筒与转轴相对固定使得内筒与转轴能够一起旋转。

根据本发明的一个优选实施例，所述MOCVD设备还包括减压舱，所述减压舱被配置为能够提供低于大气压力的环境，所述反应腔壳和致动装置设置在减压舱内。

根据本发明的一个优选实施例，所述MOCVD设备还包括减压舱，所述减压舱被配置为能够提供低于大气压力的环境，所述反应腔壳设置在减压舱内，所述致动装置设置在减压舱外。

根据本发明的一个优选实施例，所述MOCVD设备还包括第一真空泵，所述第一真空泵与减压舱流体连通，用于使减压舱产生和保持工作压力。

根据本发明的一个优选实施例，所述内筒被配置为能够围绕内筒的纵向轴线旋转，并且所述反应腔壳被配置为在MOCVD设备的工作过程中保持静止；或者

所述反应腔壳的至少一部分被配置为能够围绕反应腔壳的纵向轴线旋转，并且所述内筒被配置为在MOCVD设备的工作过程中保持静止；或者

所述反应腔壳的至少一部分和所述内筒被配置为能够同时旋转，但内筒和反应腔壳的旋转方向或旋转速度不同。

根据本发明的一个优选实施例，所述内筒的纵向轴线沿水平方向设置，并且所述反应腔壳的纵向轴线沿水平方向设置；

所述致动装置设置在反应腔壳的一侧。

根据本发明的一个优选实施例，所述内筒的纵向轴线沿竖直方向设置，并且所述反应腔壳的纵向轴线沿竖直方向设置；

所述致动装置设置在反应腔壳的上侧或下侧。

根据本发明的相对旋转式MOCVD设备，反应腔壳内设置有内筒，在内筒和反应腔壳之间形成反应气体通道，基于内筒和反应腔壳的内壁面的形状，容易得到横截面不变的反应气体通道，因此，通过进气口供应到反应气体通道内的反应气体，能够保持均匀的速度场和浓度场，而且内筒与反应腔壳相对旋转能够使得衬底接触的反应气体的浓度更加均匀，此外，加热元件在内筒或反应腔壳的腔壁内周向的布局也容易获得均匀的温度场，因此，本发明的相对旋转式MOCVD设备具有改善的温度均匀性、气体流动均匀性和/或气体浓度均匀性，由此能够提高半导体器件的沉积质量。更重要地，内筒和反应腔壳同轴地布置，可以容易地通过增大设备的轴向和径向尺寸(可承载衬底的面积被增大)而实现产能的增大，并且这种设备尺寸的增大对反应腔壳内气体的速度场、浓度场和温度场均匀性基本没有影响，可以很好地解决目前半导体行业外延设备大规模生产受到限制的问题。因此，本发明的相对旋转式MOCVD设备能够增大产能，并能同时保证沉积产品的高质量和高性能。

附图说明

图1为现有技术的行星式反应室的截面示意图；

图2为图1中的行星式反应室的石墨基座的俯视图；

图3为根据本发明的一个实施例的正压差MOCVD设备的截面示意图；

图4为图3中的正压差MOCVD设备的B-B截面图；

图5示出了根据本发明的另一个实施例的MOCVD设备，与图4相对应，但是减压舱被去除；

图6为根据本发明的一个实施例的正压差MOCVD设备的截面示意图；

图7为根据本发明的一个实施例的MOCVD设备的截面示意图，其中，衬底安装在内筒的外周上；

图8为图7中的MOCVD设备的C-C截面图；

图9为根据本发明的一个实施例的MOCVD设备的截面示意图，其中，衬底同时安装在内筒的外周和反应腔壳的内侧上；

图10为图9中的MOCVD设备的D-D截面图；

图11示出了根据本发明的另一个实施例的MOCVD设备，与图10相对应，但第二加热元件具有不同的设置；

图12为根据本发明的一个实施例的MOCVD设备的截面示意图，其中，衬底安装在反应腔壳的内侧上；

图13为图12中的MOCVD设备的E-E截面图；

图14示出了外筒上的用于安装衬底的安装位的一种布置方式；

图15示出了内筒上的固定衬底的固定手段；

图16为根据本发明的一个实施例的MOCVD设备的截面示意图；

图17为根据本发明的一个实施例的MOCVD设备的截面示意图；

图18为图17中的MOCVD设备的G-G截面图；

图19为根据本发明的一个实施例的MOCVD设备的截面示意图；

图20为图19中的MOCVD设备的H-H截面图；

图21为根据本发明的一个实施例的MOCVD设备的转轴的截面示意图；

图22为根据本发明的一个实施例的MOCVD设备的截面示意图；

图23为根据本发明的一个实施例的MOCVD设备的截面示意图；

图24为根据本发明的一个实施例的MOCVD设备的截面示意图。

附图标记列表：

11致动装置；12传动轴；13主动旋转单元；14从动旋转单元；15转轴；16轴承；17支撑元件；31第一壳体；32第二壳体；41内筒；42第一隔热材料；43第一加热元件；44外筒；45第二隔热材料；46加热元件支撑杆；47环形加热带；48端部隔热材料；49中心支撑环；50固定组件；51反应气体通道；52进气元件；53排气元件；54分隔元件；55中心支撑轴；56绝缘片；57支撑筒；58支杆；60转动密封件；61减压舱；62第一真空泵；63第二真空泵；64固定凹槽；65夹具；66双层水冷管；67外侧通道；68内侧通道；69集电环；70导线；71第一安装位；72衬底；73第二加热元件；74加热元件固定部；75第二安装位；97基座；98支撑架；101升降组件；102第一壳体结合元件；103第二壳体结合元件。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的示例性的实施例，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

图3、4示出了根据本发明的一个实施例的正压差MOCVD设备的基本结构，如图所示，正压差MOCVD设备主要包括减压舱61、反应腔壳、进气口和排气口、内筒41、致动装置11和传动机构。减压舱61被配置为能够提供低于大气压力的环境，反应腔壳设置在减压舱61内，用于提供供反应气体发生化学反应的环境，通常地，该环境为高温、低压环境；内筒41设置在反应腔壳内，并且内筒41与反应腔壳之间形成反应气体通道51，如图3-4所示，所述内筒41呈大致圆筒形，所述反应腔壳的内壁面也呈大致圆筒形，内筒41和反应腔壳同轴地布置，这样，所述反应气体通道51呈大致环形。除了以上几个部分，完整的MOCVD设备还包括气体输运系统、底座支撑、尾气处理系统等。

所述反应腔壳是中空的，这样内筒41才能置入反应腔壳内，反应腔壳主要由腔壁构成，腔壁包括：外壳；外筒44，设置在外壳内，并相对于外壳固定；以及第二隔热材料45，设置在外壳和外筒44之间。外壳作为反应腔壳的最外层，包括第一壳体31和第二壳体32，所述第一壳体31和第二壳体32能够在彼此结合以封闭内筒41的第一状态和相互分离以暴露内筒41的第二状态之间改变，第一壳体31和第二壳体32保证反应腔壳内部与外界环境的密封性。由于外壳被分为两个部分，相应地，外筒44以及外壳和外筒44之间的第二隔热材料45也应当是由两个部分组成。可选地，外筒两端安装有端盖，形成腔体，保证反应腔壳内部的气密性。

MOCVD设备的主体反应设备全部位于减压舱61内，减压舱61通过真空泵向外排气，使内部达到较低压力，控制到适宜外延工艺所需的最佳压力环境。特别地，所述MOCVD设备被配置为能够使反应腔壳内的第一压力高于减压舱61内的第二压力，并且所述第一压力和第二压力均低于大气压力。所述MOCVD设备还包括第一真空泵62，所述第一真空泵62与减压舱61流体连通，用于使减压舱61产生和保持第二压力，如图3所示。

相应地，本发明还提供了一种正压差MOCVD方法，使用所述的正压差MOCVD设备，所述MOCVD方法包括：使减压舱61内产生低于大气压力的第二压力；以及使反应腔壳内产生低于大气压力但高于第二压力的第一压力。这里，所述第一压力高于第二压力至少200Pa或300Pa。在所述MOCVD设备的工作过程中，对减压舱61持续抽气以使减压舱61内保持第二压力；并且通过向反应腔壳内供应反应气体以使反应腔壳内保持高于第二压力的第一压力。采用上述设备，所述MOCVD方法可以在使减压舱61内产生低于大气压力的第二压力之前，使反应腔壳处于非封闭状态；然后，在使减压舱61内产生低于大气压力的第二压力之后，封闭所述反应腔壳，这样，在使减压舱产生工作压力的同时，反应腔壳获得了适宜的工作压力，当MOCVD设备工作时，由于向反应腔壳内供应反应气体，反应腔壳自然地形成了高于第二压力的第一压力。

图6提供了一种替代实施例的正压差MOCVD设备，其中，所述MOCVD设备为反应腔壳配备了单独的真空泵，即MOCVD设备包括第一真空泵62和第二真空泵63，所述第一真空泵62与减压舱61流体连通，用于使减压舱61产生和保持第二压力；所述第二真空泵63与反应腔壳所形成的反应腔室流体连通，用于使反应腔室产生和保持第一压力。使用图6的设备，可以在使减压舱61内产生低于大气压力的第二压力之前，封闭所述反应腔壳，然后利用独立的第二真空泵使反应腔壳减压至低于大气压力的压力。

所述内筒41或所述反应腔壳的至少彼此面对的部分包括表面涂覆SiC涂层的石墨材料、或钨材料、或钼材料。为使内筒41和外筒44耐高温，它们通常为涂覆SiC涂层的石墨圆筒，也可以采用耐高温钨、钼等金属材料，涂层可以根据材料的力学性能确定厚度大小。

进气口和排气口设置在反应腔壳上，分别用于向反应腔壳内供应反应气体和从反应腔壳内排出气体，在该实施例中，进气元件52设置在进气口上，排气元件53设置在排气口上，所述进气元件52和排气元件53从反应腔壳外穿过反应腔壳的腔壁伸入反应气体通道51内，所述进气元件52被配置为引导反应气体进入反应气体通道51并沿反应气体通道51流向排气口，如图4中箭头所示，在反应气体通道51内反应后的废气从排气元件53排出。除了进气元件52、排气元件53，所述反应腔壳上还设置有分隔元件54，所述分隔元件54位于反应气体通道51内、进气元件52和排气元件53之间，用于防止排气回流到进气侧。

如图4所示，所述进气元件52和排气元件53沿内筒41的径向从反应腔壳外穿过反应腔壳的腔壁伸入反应气体通道51内，所述进气元件52和排气元件53在反应腔壳的周向上相邻的设置。在反应腔壳的周向上相邻的进气元件52、排气元件53和进气元件52与排气元件53之间的分隔元件54形成一组通气元件，在图4的实施例中，所述MOCVD设备仅包括一组通气元件(整圈流动)。在这组通气元件中，所述进气元件52的出气口可以为纵长出气口，即仅有一个进气元件和一个出气口，所述出气口位于反应气体通道51内并沿内筒41的纵向轴线方向延伸，优选地，在整个内筒41的纵向长度上延伸，以便保证反应气体在反应气体通道51内的均匀性。或者替代地，在这组通气元件中，所述进气元件52的数量可以为多个，多个进气元件52的出气口位于反应气体通道51内，并且多个进气元件52沿内筒41的纵向轴线方向均匀分布，以便保证反应气体在反应气体通道51内的均匀性。排气元件53可以与进气元件52具有相同的形式和布置。

由图4所示的实施例可以衍生出一种通气元件的布置方式，同样地，在反应腔壳的周向上相邻的进气元件52、排气元件53和进气元件52与排气元件53之间的分隔元件54形成一组通气元件，MOCVD设备包括多组通气元件，例如两组或三组，多组通气元件在反应腔壳的周向上均匀分布，如果在三组的情况下，三组通气元件以120度的角度间隔设置在反应腔壳上，那么从第一组通气元件的进气元件52进入的反应气体在反应气体通道51内流经120度的角度后从第二组通气元件的排气元件53排出；从第二组通气元件的进气元件52进入的反应气体在反应气体通道51内流经120度的角度后从第三组通气元件的排气元件53排出；从第三组通气元件的进气元件52进入的反应气体在反应气体通道51内流经120度的角度后从第一组通气元件的排气元件53排出。

图5给出了进气元件52和排气元件53的另一种布置方式的实施例(半圈流动)，如图所示，所述进气元件52包括第一进气元件和第二进气元件(图5中左侧的进气元件52和右侧的进气元件52)，第一进气元件和第二进气元件在反应腔壳的周向上相邻，并且在第一进气元件和第二进气元件之间设置有分隔元件54；所述排气元件53包括第一排气元件和第二排气元件(图5中左侧的排气元件53和右侧的排气元件53)，第一排气元件和第二排气元件在反应腔壳的周向上相邻，并且在第一排气元件和第二排气元件之间设置有分隔元件54；所述进气元件52和排气元件53在反应腔壳的径向上大致相对地设置。这样，从第一进气元件进入的反应气体在反应气体通道51内流经180度的角度后从第一排气元件排出，从第二进气元件进入的反应气体在反应气体通道51内反向流经180度的角度后从第二排气元件排出。

进气元件52的位置可以根据工作环境和具体工况设计在不同位置，实际使用中可以设置在反应腔壳的外壳偏下部的位置上，有利于抑制通道内的自然对流发生。反应气体通过进气元件进入反应气体通道，在通道中被加热并发生化学反应，进行薄膜沉积。由于反应气体流动过程的通道截面积保持不变，气体的流动均匀性非常好。需要说明的是，由于内筒和反应腔壳之间能够相对旋转，那么在内筒41旋转的情况下，分隔元件54与内筒41之间应具有间隙，该间隙为微小间隙，以防止影响内筒旋转。分隔元件54可以为薄壁挡板，固定在外筒上，分隔元件54的作用在于防止进排气的掺混。在一个优选实施例中，分隔元件54上两侧可以设置气孔，气孔中喷入一定速度的载气(氮气)，形成气体阻隔层。一方面进气侧的气孔用于阻隔进气气流向排气气流方向的流动，避免有机金属源的浪费；另一方面，排气侧的气孔用于阻隔排气气流向进气气流方向的流动，避免源气体受到污染。

有利地，所述进气元件52的出气口处的通道相对于进气元件52的轴向弯曲，使得从出气口处供应的反应气体的流动方向大致相切于以内筒41的纵向轴线上的点为圆心的圆，此外，所述进气元件52为具有多通道的进气元件，所述多通道以套管的形式存在。多通道为三通道或更多通道，因为反应气体有多种气体，套管的每层走不同的气体。

进一步地，所述进气元件52的伸入反应气体通道51中的部分包括径向段和相对于径向段弯折的折弯段；所述折弯段上设置有第一出气口和第二出气口，从第一出气口处供应的反应气体的流动方向大致相切于以内筒41的纵向轴线上的点为圆心的圆，从第二出气口处供应的反应气体的流动方向大致指向内筒41的纵向轴线，以形成气帘。通过进气侧竖直朝下的这些喷口(第二出气口)防止排气泄漏到进气部分，形成一个气幕挡住排气从分隔元件54的间隙进入进气侧。

有利地，所述MOCVD设备被配置为使得内筒41和反应腔壳之间能够相对旋转。这种相对旋转可以通过如下几种方式实现：所述内筒41被配置为能够围绕内筒41的纵向轴线旋转，并且所述反应腔壳被配置为在MOCVD设备的工作过程中保持静止；或者所述反应腔壳的至少一部分(外筒或整个反应腔壳)被配置为能够围绕反应腔壳的纵向轴线旋转，并且所述内筒41被配置为在MOCVD设备的工作过程中保持静止；或者所述反应腔壳的至少一部分(外筒或整个反应腔壳)和所述内筒41被配置为能够同时旋转，但内筒41和反应腔壳的旋转方向或旋转速度不同。以图3所示的实施例为例，内筒41能够主动旋转，而反应腔壳保持静止。

需要说明的是，内筒41和反应腔壳的相对旋转不是必须的，二者也可以保持相对静止，例如，它们在MOCVD设备的工作过程中都保持绝对静止，这也能在一定程度上获得本发明的效果，只要能够保证反应气体通道51沿反应气体的行进方向具有大致相同的横截面。反应气体通道为等截面的情况下，反应气体在通道内的流动速度基本保持不变，从而能够获得沿流动方向的均匀流场。但是，相对旋转能够使得晶圆衬底接触的载气/反应气体的浓度更加均匀。

为实现MOCVD的工作温度，MOCVD设备还包括加热元件，所述加热元件可以设置在内筒41的内部和/或反应腔壳的腔壁之中。总体而言，所述加热元件可以包括：平行布置的多个加热条，所述多个加热条均平行于内筒41的纵向轴线并相对于内筒41的纵向轴线沿周向分布，如图3-4所示；或者平行布置的多个环形加热带，所述多个环形加热带相对于内筒41的纵向轴线沿轴向分布，如图22所示；或者多个加热块，所述多个加热块在围绕内筒41的纵向轴线的一个选定圆周面上均匀分布，图中未示出；或者多个加热条、多个环形加热带和多个加热块中任意两种的组合，如图17-20。所述加热元件可以采用硅钼棒、钨丝、钼丝，材料可以为硅钼、钨、钼，形状可以为块、带、条等等。加热功率可以是均匀的或非均匀的，加热元件的尺寸根据反应气体通道内的气体温度进行设计，加热功率可以调节，保证衬底表面的温度差小于1℃。

由于所述反应腔壳和所述内筒41均呈大致圆筒形，加热元件大致均匀地设置在内筒41的内部和/或反应腔壳的腔壁之中，使得加热元件产生的热量沿反应腔壳或内筒41的径向向反应气体通道51传递。所述加热元件优选采用硅钼棒、钨丝或钼丝。

内筒41的内部和反应腔壳的腔壁内都设置有隔热材料，如图3-4所示，内筒41的中心被转轴15贯穿，并且内筒41与转轴15相对固定使得内筒41与转轴15能够一起旋转，内筒41的外壁与转轴15之间设置有隔热材料，内筒41通过支撑元件17将内筒41自身与第一加热元件41、第一隔热材料42、转轴15连接固定成为一个整体；所述支撑元件17应选择具有较好的刚强度、且导热系数小的材料，如氧化锆等耐高温、不分解的陶瓷材料。第一加热元件41、第一隔热材料42通过机械连接方式结合，通过支撑元件17与耐高温的旋转内筒连接固定在一起，同时，支撑元件17的另一侧与刚性转轴15通过机械连接并固连在一起。转轴15安装有轴承16，通过左右两个轴承16将整个内筒41支撑和固定，转轴15可以选择不锈钢或其他材料，并在其内部设置冷却结构，采用液冷或气冷等方式对刚性转轴进行高效冷却。

以图3-8的实施例为参考，可知，所述内筒41为空心内筒，加热元件设置在内筒41的内部；所述加热元件包括平行布置的多个加热条，所述多个加热条均平行于内筒41的纵向轴线并相对于内筒41的纵向轴线沿周向分布；并且每个加热条的两端固定在内筒41的沿纵向轴线的两端上。在图9-13的实施例中，加热元件还设置在反应腔壳的腔壁之中，该加热元件为第二加热元件73，第二加热元件73也包括平行布置的多个加热条，所述多个加热条均平行于反应腔壳的纵向轴线并相对于反应腔壳的纵向轴线沿周向分布，并且每个加热条通过加热元件固定部74固定在反应腔壳的腔壁中。

本发明中的加热条之间可以根据工艺要求进行串联和并联的组合设计，如此设计有以下两方面的优点：一是可以最大限度的降低能耗，针对每一种工况选择能耗最少的串并联方案；二是内筒不同位置的温度场均匀性会有不同的要求，如此设计就可以针对性地调节电加热功率。本发明的加热元件设置在承载衬底的内筒内部，对内筒进行均匀加热，同时采用内、外筒两侧的双重保温绝热结构设计，保证了加热元件的热量几乎很难散失到外界环境中，设备的能耗损失降到了最低，相比目前传统的MOCVD设备，能耗至少降低一个数量级，从运行的角度，极大地降低了设备运行成本和衬底外延沉积成本。

下面介绍传动机构，致动装置11设置在反应腔壳外部、减压舱61内，与内筒41或反应腔壳直接地或间接地连接，用于驱动内筒41或反应腔壳旋转，传动机构可以为简单的传动轴或者为磁力耦合器,，这样，致动装置11通过磁力耦合器与内筒41传动连接，如图3所示，或者所述致动装置11通过传动轴12与内筒41传动连接，如图22所示，传动轴12与转轴15连接，在传动轴12穿过反应腔壳的部分设置有转动密封件60。传动机构也可以具有其他结构。所述磁力耦合器包括设置在反应腔壳外的主动旋转单元13和设置在反应腔壳内的从动旋转单元14，所述主动旋转单元13以非接触的方式驱动从动旋转单元14；所述主动旋转单元13与致动装置11连接，所述从动旋转单元14与内筒41连接。

在图3、6的实施例中，致动装置11设置在减压舱61内，作为一个替代实施例，致动装置1也可以设置在减压舱61外，采用类似的传动机构和密封手段。

如图7、8所示，内筒41的外周上设置有用于安装衬底72的第一安装位71，如图12、13所示，反应腔壳的内侧(外筒44)设置有用于安装衬底72的第二安装位75，具体地，安装位设置在外筒44的面向内筒41的表面上，如图9-11所示，内筒41的外周上设置有用于安装衬底72的第一安装位71，同时反应腔壳的内侧(外筒44)设置有用于安装衬底72的第二安装位75。

内筒41或反应腔壳上的安装位的数量为多个，多个安装位均匀分布，具体地，多个安装位可以呈矩阵型排列，如图14所示，或者多个安装位形成多排，相邻排的安装位彼此错开地设置。每个安装位可以为如图14所示的固定凹槽64，固定凹槽可起到固定作用，使衬底在内筒绕轴心转动的过程中保持固定不动。另外，内筒41和作为反应腔壳的内壁面的外筒44可以为圆筒形或多棱柱，如图15所示，内筒41的垂直于内筒41的纵向轴线的截面呈正多边形，使得所述内筒41形成多棱柱，类似地，所述反应腔壳的内壁面的垂直于反应腔壳的纵向轴线的截面呈正多边形，使得所述反应腔壳的内壁面形成多棱柱，所述安装位设置在多棱柱的棱柱面上，此外，安装位上设置有夹具65、卡槽、凹槽，用于将衬底72固定在安装位上。多边形的边长尺度由晶圆衬底的尺寸大小确定，多边形的边数N可取为3或3以上的任意数目，一般为了使得流场均匀、环形的反应气体通道截面积变化不明显，N的取值可以稍大一些，因此，耐高温内筒的直径也会相应比较大一些。

双侧安装衬底的结构更大地提高了MOCVD设备的产能，耐高温内筒的外表面和耐高温外筒的内表面均设计为具有放置晶圆衬底的凹槽、卡槽或夹具，内筒的外表面上的每个晶圆衬底可以与外筒内表面上的晶圆衬底保持正对，二者之间形成的反应气体通道的截面也类似正多边形通道。气体在通过环形或正多边形通道时，两侧均可以沉积获得外延薄膜，反应气体损失量最小，外延薄膜生长效率高，该方法还同时解决了反应腔壳壁面容易沉积化学反应物，需要定期清洁的问题。

以内筒旋转为例，在工作过程中，使内筒匀速转动，能够保证大尺寸筒壁温度的均匀性，从而实现晶圆衬底表面沉积的均匀性。在实际中，内筒转速可以按需要进行调节，也可以选择内筒静止不旋转。圆筒形反应腔室的环形的反应气体通道沿流动方向上截面积始终不变，从而保证了气体速度场的均匀性，同时承载衬底的内筒采用旋转设计，可以保证内筒和衬底表面温度的均匀性，以及衬底表面反应物的均匀性，解决了MOCVD设备变大后衬底表面沉积不均匀的难题。同时，反应腔壳沿轴向方向尺寸的增加对MOCVD设备薄膜沉积反应气体的温度场、速度场以及反应物扩散浓度场几乎不产生明显的影响，因此，可以极大地提高MOCVD外延片的产能，同时保证非常高的外延沉积质量，有效突破半导体行业MOCVD设备生产能力的制约。

优选地，所述加热元件在靠近进气口或排气口的位置的分布密度或功率密度大于在远离进气口或排气口的位置的分布密度或功率密度。参照图10、11，第二加热元件73在进气口和排气口(进气元件52和排气元件53)的位置附近的分布密度大于在其他位置的分布密度，这是因为由于在一些方案中外筒44静止，进气温度较低会导致外筒44上的衬底72在靠近进气口附近的温度偏低，所以在外筒44的进气口附近需要设置或增加专门的加热元件，以提高外筒局部温度，保证整个外筒360°圆周方向上的温度均匀性。由于环形的反应气体通道很小，内外筒温度整体差异不大，外筒其他位置可以根据温度需要，布置外筒加热元件，或不布置外筒加热元件，或者仅在局部布置外筒加热元件(如图11所示)，这样，内外筒均通过内筒内部的加热元件加温，仅在外筒靠近进气口局部布置加热元件进行补偿，使得整个外筒温差在1℃范围内，满足外筒衬底高质量薄膜沉积所需的温度范围。

即便外筒44上不设置衬底，也可以对外筒44进行加热，目的是补偿较低温度的反应气体对内筒的降温作用，外筒的加热元件的加热功率沿圆周方向可以采用均匀加热或非均匀加热，非均匀加热一般是在反应气体进气口温度较低部位，采用较大的补偿加热功率，或采用较为密集的加热丝设计；沿着反应气体在气体通道内的运动方向，气体温度逐渐升高，外筒的加热元件逐渐减小补偿加热功率，以保证全部衬底表面的温度更加均匀，为反应腔室创造更均匀的温度环境。外筒的辅助加热元件的另一个作用是加快MOCVD在温度切换时的系统响应速度，根据内筒表面温度情况和温度切换要求，提前控制辅助加热元件的功率和开关，保证系统在更快的时间内实现升温或降温过程。

在图16中，第一壳体31位于第二壳体32的竖直上侧，第二壳体32保持固定，并且第一壳体31被配置为能够相对于第二壳体32移动；所述第一壳体31上设置有两个第一壳体结合元件102，所述第二壳体32上设置有两个第二壳体结合元件103，所述第一壳体结合元件102被配置为能够与第二壳体结合元件103结合；MOCVD设备还包括两个升降组件101，所述升降组件101与第一壳体结合元件102连接，用于使第一壳体31上升或下降。升降组件101可以为液压杆，在装取衬底的过程中，升降组件101驱动第一壳体31向上升起，从而打开反应腔壳，留出装载/卸载晶圆衬底的空间。

图16-20、22给出了加热元件的几种不同的形式、布置方式和支撑方式，这是加热元件分区设置的几个实施例，所述内筒41的内部或反应腔壳的腔壁的内部被分为不同的区域，所述加热元件在至少两个区域内以不同的形式、不同的分布密度或不同的功率密度而存在。具体地，所述加热元件在靠近进气口或排气口的位置的分布密度或功率密度可以大于在远离进气口或排气口的位置的分布密度或功率密度，或者所述加热元件在靠近内筒41的沿纵向轴线的端部的位置和靠近内筒41的纵向轴线的中心的位置具有不同的分布密度或功率密度。例如，所述加热元件设置在内筒41的内部，并且所述内筒41的内部包括靠近内筒41的纵向轴线的中心的第一区域和靠近内筒41的沿纵向轴线的两端的两个第二区域，而在第一区域和第二区域，加热元件具有不同的形式和设置。

在图16-18的实施例中，转轴15设置在内筒41的沿纵向轴线的两端上，转轴15不贯穿内筒41的中心，并且内筒41与转轴15相对固定使得内筒41与转轴15能够一起旋转。加热元件固定设置在内筒41内部，加热元件包括第一加热元件43和环形加热带47，第一加热元件43在第一区域内，它被设计为平行布置的多个加热条，所述多个加热条均平行于内筒41的纵向轴线并相对于内筒41的纵向轴线沿周向分布，环形加热带47设置在第二区域内，所述环形加热带的轴线平行于内筒41的纵向轴线。在环形加热带47的外侧设置有端部隔热材料48，轴向安装两个，端部隔热材料48竖直地位于内筒的两端并与内筒端盖紧密贴合，可以通过机械装置连接在一起。端部隔热材料48可以由一至多层隔热材料或辐射隔热屏构成，各层通过优化设计获得耐受温度下的最佳隔热厚度。环形加热带47位于端部隔热材料48与加热条之间，并与两者都留有一定的间距，此间距可根据仿真计算的结果进行确定。此外，在图中，加热条为单排，但是它也可以呈多排布置。

所述多个加热条和环形加热带可以以各种方式固定在内筒41内，随内筒41一起旋转，例如，多个加热条固定在内筒41的内周面上，或者环形加热带固定在内筒41的内周面上或固定在内筒41的沿纵向轴线的两端上或固定在端部隔热材料48上。环形加热带的设计同样是为了保证反应腔室的温度均匀性，这样可以使得内筒两端与中间位置的温度场相差较小，保证两端位置外延片的沉积同样具有很高的质量。

在图19-20的实施例中，加热元件的形式、组合和位置与前面的实施例相同，包括多个加热条和环形加热带，但是它们的支撑固定方式不同。中心支撑轴55贯穿所述内筒41的中心并从内筒41的沿纵向轴线的两端伸出，所述中心支撑轴55被配置为相对于反应腔壳固定，使得所述内筒41能够相对于中心支撑轴55旋转，例如，中心支撑轴55直接固定在反应腔壳的外壳上，中心支撑轴55通过轴承支撑在转轴15的中心，使得转轴15能够围绕中心支撑轴55旋转；所述多个加热条和环形加热带通过中心支撑轴55被固定，使得所述多个加热条和环形加热带在MOCVD设备的工作过程中不随内筒41旋转。

所述中心支撑轴55上设置有多个中心支撑环49，每个中心支撑环49上设置有沿中心支撑环49的径向延伸的多个加热元件支撑杆46，多个加热元件支撑杆46沿中心支撑环49的周向均匀分布；所述多个加热条和环形加热带分别直接地或间接地固定在加热元件支撑杆46的远离中心支撑环49的端部上。加热元件支撑杆46的远离中心支撑环49的端部上设置有固定板，加热条或环形加热带通过螺钉固定在固定板上，固定板和螺钉构成固定组件50。所述加热条和加热元件支撑杆46的所述端部(固定组件50)之间设置有绝缘片56，并且所述环形加热带和加热元件支撑杆46的所述端部之间设置有绝缘片56。中心支撑环49的材料可以选择不锈钢或其他镍基金属。

在图22的实施例中，与图17所示的实施例不同，内筒41内的加热元件全部由环形加热带构成，相邻两环形加热带之间留有一定的距离，环形加热带的尺寸以及加热功率可以根据工艺要求进行调节。环形加热带的设置可以根据内筒的温度均匀性进行分区设计，可以在轴向方向分为中间区和边缘区，由于边缘和中间散热损失不同，可以分区加载不同的功率，通过轴向不同的分区，保证内筒表面温度更加均匀，两端和中间的衬底表面温差小于1℃。

进一步地，加热条也可以沿周向进行分区设计，如此设计可以使得不同分区的电加热功率进行独立调节。如对于进气口的位置，由于进气温度较低，该区域的温度场与反应腔室中间位置的温度场有较大的差距，这时就可以独立调节加大此分区加热条的电加热功率，以保证整个反应腔室温度场的均匀性。

此外，在内筒41的中心被转轴15贯穿并且内筒41与转轴15相对固定使得内筒41与转轴15能够一起旋转的情况下，多个加热条和/或环形加热带也可以直接固定在转轴15上。

如图21所示，转轴15内设置有水冷通道，所述水冷通道为双层水冷通道，包括连通的外侧通道67和内侧通道68，外侧通道67同轴地包围在内侧通道68外周，所述外侧通道67用于供水，所述内侧通道68用于排水。其中，所述转轴15为中空转轴，所述双层水冷通道以双层水冷管66的形式存在，所述双层水冷管66设置在转轴15的中空部内。

如图22所示，反应腔壳的腔壁还包括支撑筒57，设置在外壳和外筒44之间；所述支撑筒57和外筒44之间设置有多个支杆58，所述支杆58沿反应腔壳的径向延伸，并且多个支杆58沿反应腔壳的周向均匀分布。

如图23所示，MOCVD设备的加热元件是电加热方式，加热元件与外界电源相连接，内筒41旋转时，固定设置在内筒41上的第一加热元件43的供电是如下方式实现的：在转轴15的端部设置集电环69，所述集电环69通过导线70与外界电源连接，第一加热元件43通过穿过转轴15中心的导线与集电环69相连，从而实现动静转化。

在以上描述的实施例中，所述内筒41的纵向轴线均沿水平方向设置，并且所述反应腔壳的纵向轴线均沿水平方向设置，致动装置11设置在反应腔壳的一侧，所形成的MOCVD设备为卧式MOCVD设备，然而，替代地，所述内筒41的纵向轴线也可以沿竖直方向设置，并且所述反应腔壳的纵向轴线也可以沿竖直方向设置，所述致动装置11设置在反应腔壳的下侧(或上侧)，由此形成直立式的MOCVD设备，图24就是直立式MOCVD设备的实施例，在该实施例中还示出了减压舱61，减压舱61，被配置为能够提供低于大气压力的环境，反应腔壳设置在减压舱61内，在MOCVD设备的工作过程中，反应腔壳内的第一压力高于减压舱61内的第二压力，并且所述第一压力和第二压力均低于大气压力。所述MOCVD设备还包括第一真空泵62和第二真空泵63，所述第一真空泵62与减压舱61流体连通，用于使减压舱61产生和保持第二压力；所述第二真空泵63与反应腔壳所形成的反应腔室流体连通，用于使反应腔室产生和保持第一压力。另外，减压舱61固定在基座97上，在减压舱61还设置支撑架98，支撑架98具有U形槽，反应腔壳固定在支撑架98上，而致动装置11和磁力耦合器的主动旋转单元13位于U形槽内。除此之外，图24的直立式MOCVD设备的其它设置与前面的实施例相同。

本发明中的减压舱是控制外延工艺所需压力环境的重要组成部分，保证反应腔壳内所进行的化学反应处在较理想的压力范围内。设计的优势在于：一方面，使用过程中，仅需要外部减压舱持续抽气即可有效保持低压环境，减压舱内不存在反应气体，没有反应气体的浪费。反应腔壳通过第一壳体和第二壳体形成一个小的密封环境，正常的的工艺流程可以很容易维持微正压环境，反应腔壳内部不需要持续抽出气体，因此，较少的反应气体会被浪费掉，MOCVD设备的运行成本可以降低。另一方面，反应腔壳微正压环境可以保证外部任何气体无法进入反应腔壳内，为反应腔壳内的外延沉积过程创造了最洁净的空间环境，大大减少了外延质量受到污染的风险，获得的外延沉积质量更高。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种相对旋转式MOCVD设备，其特征在于，所述MOCVD设备包括：

反应腔壳，用于提供供反应气体发生化学反应的环境；

内筒(41)，设置在反应腔壳内，所述内筒(41)与反应腔壳之间形成反应气体通道(51)；以及

致动装置(11)，

其中，所述MOCVD设备被配置为使得内筒(41)和反应腔壳之间能够相对旋转；

其中，所述致动装置(11)设置在反应腔壳外部，与内筒(41)或反应腔壳直接地或间接地连接，用于驱动内筒(41)或反应腔壳旋转。

2.根据权利要求1所述的相对旋转式MOCVD设备，其特征在于：

所述致动装置(11)通过传动轴(12)与内筒(41)或反应腔壳传动连接。

3.根据权利要求1所述的相对旋转式MOCVD设备，其特征在于：

所述致动装置(11)通过磁力耦合器与内筒(41)传动连接，所述磁力耦合器包括设置在反应腔壳外的主动旋转单元(13)和设置在反应腔壳内的从动旋转单元(14)，所述主动旋转单元(13)以非接触的方式驱动从动旋转单元(14)；所述主动旋转单元(13)与致动装置(11)连接，所述从动旋转单元(14)与内筒(41)连接。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的相对旋转式MOCVD设备，其特征在于：

所述内筒(41)的中心被转轴(15)贯穿，并且内筒(41)与转轴(15)相对固定使得内筒(41)与转轴(15)能够一起旋转；或者

转轴(15)设置在内筒(41)的沿纵向轴线的两端上，转轴(15)不贯穿内筒(41)的中心，并且内筒(41)与转轴(15)相对固定使得内筒(41)与转轴(15)能够一起旋转。

5.根据权利要求1所述的相对旋转式MOCVD设备，其特征在于：

所述MOCVD设备还包括减压舱(61)，所述减压舱(61)被配置为能够提供低于大气压力的环境，所述反应腔壳和致动装置(11)设置在减压舱(61)内。

6.根据权利要求1所述的相对旋转式MOCVD设备，其特征在于：

所述MOCVD设备还包括减压舱(61)，所述减压舱(61)被配置为能够提供低于大气压力的环境，所述反应腔壳设置在减压舱(61)内，所述致动装置(11)设置在减压舱(61)外。

7.根据权利要求5或6所述的相对旋转式MOCVD设备，其特征在于：

所述MOCVD设备还包括第一真空泵(62)，所述第一真空泵(62)与减压舱(61)流体连通，用于使减压舱(61)产生和保持工作压力。

8.根据权利要求1或2所述的相对旋转式MOCVD设备，其特征在于：

所述内筒(41)被配置为能够围绕内筒(41)的纵向轴线旋转，并且所述反应腔壳被配置为在MOCVD设备的工作过程中保持静止；或者

所述反应腔壳的至少一部分被配置为能够围绕反应腔壳的纵向轴线旋转，并且所述内筒(41)被配置为在MOCVD设备的工作过程中保持静止；或者

所述反应腔壳的至少一部分和所述内筒(41)被配置为能够同时旋转，但内筒(41)和反应腔壳的旋转方向或旋转速度不同。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的相对旋转式MOCVD设备，其特征在于：

所述内筒(41)的纵向轴线沿水平方向设置，并且所述反应腔壳的纵向轴线沿水平方向设置；

所述致动装置(11)设置在反应腔壳的一侧。

10.根据权利要求1-3所述的相对旋转式MOCVD设备，其特征在于：

所述内筒(41)的纵向轴线沿竖直方向设置，并且所述反应腔壳的纵向轴线沿竖直方向设置；

所述致动装置(11)设置在反应腔壳的上侧或下侧。