CN1219315C - 金属有机物化学气相沉积氮化镓基薄膜外延生长设备 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种金属有机物化学气相沉积氮化镓基薄膜外延生长设备，它包括反应器，其特征在于反应室为管式双层结构，由内管和外管构成，内管腔为反应腔，内、外管插装在上下固定装置内，内、外管之间是冷却水腔，外管外壁绕有感应加热线圈，内管中央设有石墨基座，石墨基座是安装在一根陶瓷管上，该陶瓷管与动力传动部分相连接。反应器因配有水冷却系统，以保证加热时反应器，尤其是晶片以上部分和气体混合室的温度较低，防止气体的预反应发生，同时石墨基座以一定的速度旋转，以保证石墨基座上的晶片外延生长层的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种MOCVD氮化镓基薄膜外延生长设备，具体地说是所述外延生长设备的反应器结构的创新设计。
背景技术
MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition金属有机物化学气相沉积)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。它采用III族、II族元素的有机化合物和V族、VI族元素的氢化物等作为晶体生长原料，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膜单晶材料。一般的MOCVD设备都由源供给系统、气体输运和流量控制系统、反应室及温度控制系统、尾气处理和安全防护及毒气报警系统构成。与常规的氯化物输运外延(VPE)相比，MOCVD具有适用范围广泛，非常适合于生长各种异质结构材料，可以生长超薄外延层，并能获得很陡的界面过渡，生长易于控制，可以生长纯度很高、大面积外延层、均匀性良好的材料。是目前制备氮化镓基(GaN)光电子器件和电子器件外延片的主流方法。MOCVD从生长的GaN基外延片和器件的性能以及生产成本等主要指标来看，还没有其它方法能与之相比，因此受到广泛重视。几乎世界所有光电器件生产厂都采用MOCVD SYSTEM来制备光电器件的材料。因此MOCVD SYSTEM已成为当前国际上半导体薄膜材料生长和制备的最理想的先进设备。而对于适合GaN基外延生长的MOCVD设备，由于材料本身的研究时间不长，对材料生长的一些物理化学过程还有待认识，因此目前对适合GaN基外延生长的MOCVD设备也还处于完善和发展之中。目前国内该种设备完全依靠进口，未见国产设备。
国外商品化MOCVD设备的反应器每个厂家均不同，美国的EMCORE公司的高速涡轮旋转反应室，以大于700转/分钟以上的转速公转，外延生长均匀，但原料浪费大，生长成本高；英国的THOMAS SWAN公司采用“喷淋头”反应室，基本符合GaN生长要求，但加工难度大。德国的AIXTRON公司的行星式反应室为公转加自转，相对节省原料生长均匀性较好，但自转可控性差及生长重复性差。如何解决现有反应器所存在的技术问题，则是研发人员所面临的重要设计课题。
发明内容
本发明提供了一种新型金属有机物化学气相沉积氮化镓基薄膜外延生长设备，它可以解决现有技术存在的原料浪费大、生长不均匀、生长成本高、加工难度大，以及生长重复性差等问题。
为了达到解决上述技术问题的目的，本发明的技术方案是：一种金属有机物化学气相沉积氮化镓基薄膜外延生长设备，它包括反应器，反应器包括顶部气室、反应室、反应室基座和传动部分，其特征在于：
A.所述的反应室为管式双层结构，由内管和外管构成，内管腔为反应腔，内、外管插装在上下固定装置内，内、外管之间是冷却水腔，外管外壁绕有感应加热线圈，内管中央设有石墨基座，石墨基座是安装在一根陶瓷管上，该陶瓷管与动力传动部分相连接，内管腔下部设有与其连通的排气道；
B.所述的顶部气室包括气体混合室和水冷却室，水冷却室顶部设有MO、NH3气体进口，水冷却室的水腔在周围，气体混合室上面、下面分别设有细小的进气孔、出气孔，混合气体出气孔与反应室的内管内腔相通，定位环、上密封环和上铝环用螺钉固定为一体，并套装在外管上，顶部气室用螺钉固定在上铝环和上密封环上。
C.所述的传动部分包括电机、皮带轮、皮带、旋转座、轴座、传动轴及陶瓷管，旋转座套装固定在轴座上，旋转座外壁上固定有磁铁，轴座内腔与磁铁位置对应处装有转动块，转动块与传动轴相固定，陶瓷管套在传动轴上；
D.内、外管下部的反应室基座包括一支撑板，底座用螺栓固定在支撑板上，管座用螺钉固定在底座上，内管插装在管座上；外管插装在下铝环上，用O形密封圈、下密封环和下定位环密封并固定。
此外，在本发明进一步的细节结构中，还具有以下技术特征：传动轴为中空轴套，热电偶装入一玻璃管内，热电偶和玻璃管插入在传动轴和陶瓷管腔内，其端部至陶瓷管腔上端石墨基座空心中央处。
此外，在本发明进一步的细节结构中，还具有以下技术特征：还包括一与排气道连通的四通管接头，该管接头两侧接头连接真空泵。
此外，在本发明进一步的细节结构中，还具有以下技术特征：在轴座内上下各设有一滚动轴承。
本发明与现有技术相比具有以下优点和积极效果：1、由于内外管之间和顶部气室周围为冷却水套，因而使反应室和气体混合室的温度保持在合适规定的范围内，MO和NH3气体由反应器的顶部进入气体混合室，使在此瞬间混合后进入反应器，流经基座上晶片的气流由底部抽出。从而保证了在到达Sapphire和SiC晶片前不会发生气相预反应，并且气流稳定，没有涡流产生。经使用证明，这种反应器在外延生长中，反应器的晶片以上部分基本没有气相预反应，非常干净，一般只需几个月清洗一次。2、同时石墨基座以一定的速度旋转，以保证基座上晶片外延生长层的均匀性。3、采用中空的陶瓷管和传动轴，可使热电偶上端感知石墨基座处的温度，这样可以精确地测量石墨基座的温度。从而精确地控制晶片的外延生长温度。4、采用强磁铁和转动块的结构间接传动动力，巧妙地解决了密封等难题。5、通过顶部气室的双层结构和石墨块的旋转以及气体由石墨块底部抽出，很好地解决了掺杂的均匀性和生长的均匀性。6、由于生长过程中反应器的各部分不可避免的会受到化学反应的污染，这将严重影响晶片的外延生长质量。所以反应器的日常维护和清洗是必不可少的。由于反应器的结构与国外的同类产品比较，相对简单许多，所以日常维护和清洗极为方便和容易。而且维护费用和易损件的费用更是比国外的低的多。7、反应室用透明的石英玻璃制成，在生长时可以随时观察晶片的外延生长情况。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进行详细地描述。
1.顶部气室；1-1.冷却水腔；1-2.MO进气口；1-3.NH3进气口；1-4.冷却水进口；1-5.冷却水出口；1-6.混合气室；1-6-1.气孔；2.O形密封圈；3.上铝环；3-1.冷却水出口；3-2.冷却水出口；4A.上密封环；4B.下密封环；5.感应加热线圈；6.下铝环；6-1.冷却水进口；6-2.冷却水进口；7.管座；8.底座；9.传动轴；9-1.球轴承；9-2.球轴承；9-3.转动块；10.轴座；11.旋转座；11-1.强磁铁；12.电机；13.皮带轮；14.皮带；15.热电偶；16.推力球轴承；17.四通管接头；17-1.接辅助真空泵；17-2.接主真空泵；18.支撑板；19A.下定位环；19B.上定位环；20.玻璃管；21.陶瓷管；22.石墨基座；23.冷却水腔；24.外管；25.内管。
具体实施方式
参见图1，本发明是MOCVD氮化镓基薄膜外延生长设备中的反应器结构的创新设计。反应器包括顶部气室1、反应室、反应室基座和传动部分。
顶部气室：气体混合室1-6和水冷却室1-1两部分，水冷却室1-1顶部设有MO、NH3气体进口1-2、1-3，水冷却室1-1的水腔在周围，气体混合室1-6上面、下面分别设有许多细小的进气孔、出气孔1-6-1，混合气体出气孔1-6-1与反应室的内管25内腔相通。
混合后的气体从这些小孔1-6-1流向下面反应室，由于位于反应室中央的石墨基座22在被加热时所产生的热辐射，会使气体混合室的温度升高，水冷却室1-1的作用是降低混合室1-6的温度，防止NH3和MO两种气体在此混合后发生预反应；水冷却室1-1设有进水1-4和出水1-5两个接口，分别与反应室的冷却水出口和冷却系统的回水口相联。
反应室为管式双层结构，由内管25和外管24构成，内管25内腔为反应腔，内、外管25、24插装在上下固定装置内，内、外管25、24之间是冷却水腔23，外管24外壁绕有感应加热线圈5，内管25中央设有石墨基座22，石墨基座22是安装在一根陶瓷管21上，这根陶瓷管21是套在传动轴9上的，当传动轴9转动时，它会与传动轴9一同转动，从而带动石墨基座22转动。石墨基座22的底部为空心的，热电偶15经空心的传动轴9和陶瓷管21置于石墨块22的中心，从而测得石墨块22加热时的温度。内管25腔下部设有与其连通的排气道；与排气道连通的四通管接头17，该管接头一侧接头17-1连接过滤器、控制阀门和辅助真空泵；另一侧接头17-2连接过滤器、控制阀门和主真空泵。
内、外管25、24的下部的反应室基座结构为：
内、外管25、24下部的反应室基座包括一支撑板18，底座8用螺栓固定在支撑板18上，管座7用螺钉固定在底座8上，内管25插装在管座7上；外管24插装在下铝环6上，用O形密封圈2、下密封环4B和下定位环19A密封并固定。
顶部气室部分结构为：上密封环4A、O形密封圈2、上铝环3和上定位环19B套装在外管24上并用螺钉固定。在内管25上端套入O形密封圈2，然后将顶部气室固定在上铝环3上。
所述的传动部分包括电机12、皮带轮13、皮带14、旋转座11、轴座10、传动轴9及陶瓷管21，旋转座11套装固定在轴座10上，旋转座11外壁上固定有强磁铁11-1，轴座10内腔与磁铁11-1位置对应处装有转动块9-3，转动块9-3与传动轴9相固定，陶瓷管21套在传动轴9上。当电机12通过皮带14带动旋转座11旋转时，通过磁力的作用带动转动块9-3和传动轴9转动。传动轴9为中空轴套，热电偶15装入一玻璃管20内，热电偶15和玻璃管21插入在传动轴9和陶瓷管21腔内，其端部至陶瓷管21腔上端石墨基座22空心处。
当工作时，由感应加热器的线圈5对石墨基座22加热，石墨基座22内设有热电偶15，通过它可以精确测量石墨基座22的温度并通过调整感应加热器的输出功率大小，从而控制石墨基座22的温度。同时石墨基座22以一定的速度旋转，以保证石墨基座22上的晶片外延生长层的均匀性。
此外反应器还配有水冷却系统，以保证加热时反应器，尤其是晶片以上部分和气体混合室的温度较低，防止气体的预反应发生。
当然，上述举例并非是对本发明的限制，在本发明实质创意构思下，本发明还会具有许多变化、改型、添加或替换，也都应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1、一种金属有机物化学气相沉积氮化镓基薄膜外延生长设备，它包括反应器，反应器包括顶部气室、反应室、反应室基座和传动部分，其特征在于：
A.所述的反应室为管式双层结构，由内管和外管构成，内管腔为反应腔，内、外管插装在上下固定装置内，内、外管之间是冷却水腔，外管外壁绕有感应加热线圈，内管中央设有石墨基座，石墨基座是安装在一根陶瓷管上，该陶瓷管与动力传动部分相连接，内管腔下部设有与其连通的排气道；
B.所述的顶部气室包括气体混合室和水冷却室，水冷却室顶部设有MO、NH3气体进口，水冷却室的水腔在周围，气体混合室上面、下面分别设有细小的进气孔、出气孔，混合气体出气孔与反应室的内管内腔相通，定位环、上密封环和上铝环用螺钉固定为一体，并套装在外管上，顶部气室用螺钉固定在上铝环和上密封环上；
C.所述的传动部分包括电机、皮带轮、皮带、旋转座、轴座、传动轴及陶瓷管，旋转座套装固定在轴座上，旋转座外壁上固定有磁铁，轴座内腔与磁铁位置对应处装有转动块，转动块与传动轴相固定，陶瓷管套在传动轴上；
D.内、外管下部的反应室基座包括一支撑板，底座用螺栓固定在支撑板上，管座用螺钉固定在底座上，内管插装在管座上；外管插装在下铝环上，用O形密封圈、下密封环和下定位环密封并固定。
2.根据权利要求1所述的一种金属有机物化学气相沉积氮化镓基薄膜外延生长设备，其特征在于：传动轴为中空轴套，热电偶装入一玻璃管内，热电偶和玻璃管插入在传动轴和陶瓷管腔内，其端部至陶瓷管腔上端石墨基座空心中央处。
3、根据权利要求1所述的一种金属有机物化学气相沉积氮化镓基薄膜外延生长设备，其特征在于：还包括一与排气道连通的四通管接头，该管接头两侧接头连接真空泵。
4、根据权利要求1或2所述的一种金属有机物化学气相沉积氮化镓基薄膜外延生长设备，其特征在于：在轴座内上下各设有一滚动轴承。
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