CN202543317U

CN202543317U - 一种新型mocvd反应装置

Info

Publication number: CN202543317U
Application number: CN2012201060966U
Authority: CN
Inventors: 孙明; 庄文荣
Original assignee: JIANGSU HELIOS TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: JIANGSU HELIOS TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2022-03-21

Abstract

本实用新型公开了一种新型MOCVD反应装置,该反应装置包括电控装置、混气装置、倒置圆柱形反应腔、与倒置圆柱形反应腔匹配的传送腔与待送腔、尾气处理装置，从结构上对传统MOCVD反应装置进行全面改进，使其不但节约了垒晶所用的原料，更改善了MOCVD垒晶的均匀性，提高了垒晶质量。

Description

一种新型MOCVD反应装置

技术领域

[0001] 本实用新型涉及一种MOCVD新装置，属于MOCVD设备领域。

背景技术

MOCVD即Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，中文名称金属有机化学气相沉积，是以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。传统MOCVD反应装置如附图9包括：控制系统1’、混气箱2’、反应腔3’、传送箱4’、尾气处理系统5’，他们之间通过控制系统1’实现相互导通。控制系统内设置有控制PLC、压力控制器、红外线光纤温度显示器、各项数字及模拟输出接收模块，用于控制气体混合系统内气动阀件开启及关闭、电子式流量控制器信号输出及接收、电子式压力控制器信号输出及接收，各项感测组件信号显示、警告信号显示及自动程序执行垒晶配方。气体混合系统内设置有各种气动阀件，电子式流量控制器、电子式压力控制器，主要控制载流气体的种类及流量，各种原料气体的开关、流量大小、进入反应腔前的压力大小、各项原料气体的混合。传送箱用于将需要垒晶的衬底通过机械手臂送入反应腔，垒晶完成后再用机械手臂送入传送箱。反应腔内设置有红外线测温仪、加热用石墨载盘、喷淋头、高温加热装置等。尾气处理系统包括淋洗塔、酸性、碱性、毒性气体收集装置、集尘装置和排气氮化装置组成，以使反应后排出装置的有毒物质浓度达到国家规定排放标准以下。

MOCVD设备长期以来一直依赖进口，其价格昂贵，导致半导体光源价格拘于高位，不利推广，国内由于不掌握关键设备技术，反过来极大地制约了材料技术和器件性能的提高，制约了我国光电子产业的进一步发展，也成了发展我国高端光电子器件的瓶颈。这就要求我们能自己掌握MOCVD设备特别是反应系统的设计与制造技术，实现光电子产业的一个重大突破。

垒晶的重要指标之一，就是组分的均匀性，在MOCVD技术中，要生长出一定厚度，并组分均匀的大面积垒晶材料，基片各处的生长速度以及到达基片的反应物浓度应尽量均匀一致是目前亟待解决的问题。

发明内容

本实用新型目的公开了一种新的MOCVD反应装置，以便于用于大尺寸芯片的制作，并节约了垒晶所用的原材料，提高垒晶均匀性，保证垒晶的质量。

本系统包括电控装置、混气装置、倒置圆柱形反应腔、与倒置圆柱形反应腔匹配的传送腔与待送腔、尾气处理装置，他们之间与传统MOCVD一样是通过电控装置实现相互导通。电控装置内设置有控制PLC、压力控制器、红外线光纤温度显示器、各项数字及模拟输出接收模块，用于控制气体混合系统内气动阀件开启及关闭、电子式流量控制器信号输出及接收、电子式压力控制器信号输出及接收，各项感测组件信号显示、警告信号显示及自动程序执行垒晶配方。混气装置内设置有各种气动阀件，电子式流量控制器、电子式压力控制器，主要控制载流气体的种类及流量，各种原料气体的开关、流量大小、进入反应腔前的压力大小、各项原料气体的混合。本实用新型创新点之一在于倒置圆柱形反应腔，及与倒置圆柱形反应腔匹配的传送腔与待送腔，他们与反应腔形状相同，并排列在同一直线上，待送腔的出口与反应腔的进口对应，反应腔的出口与传送腔的进口对应，待送腔用于放置等待垒晶的衬底基座，待送腔内的传送轴进口端高于出口端，并且出口端与反应腔内的轴等高，当打开待送腔出口端盖子及反应腔进口端盖子后传送基座随重力的作用，向反应腔传送。关闭反应腔进口端盖子开始垒晶反应，垒晶结束后打开传送腔进口端盖子，打开反应腔出口端盖子，传送式基座在气体压力及电辐射力的作用下向传送腔传送，传送腔进口端固定轴与反应腔轴等高，出口端轴略低于进口端，便于传送式基座传送入传送腔，等待下一道工序，整个过程取代了传统机械手臂传送。尾气处理系统包括淋洗塔、酸性、碱性、毒性气体收集装置、集尘装置和排气氮化装置组成，以使反应后排出装置的有毒物质浓度达到国家规定排放标准以下。

所述倒置圆柱形反应腔内设置了传送式基座、固定的传送轴、转动式喷淋盘、排气口、红外测温器等。本实用新型创新点之二在于反应腔内的传送式基座、固定的传送轴、转动式喷淋盘。

所述传送式基座上表面位于圆柱形反应腔的中间，因基座上部是圆弧型的反应腔，气体束喷射到衬底后有反射，倒置圆柱形反应腔腔壁对其有抵挡，并回射到衬底上，节约了原材料，如图8所示。

与倒置圆柱形反应腔匹配的传送腔与待送腔，其大小与倒置圆柱形反应腔等大，且在同一直线上分别为待送腔、反应腔、传送腔，待送腔内传送轴进口端水平高于出口端，待送腔内盛有待垒晶衬底片的基座，因重力的驱动传送至反应腔，发生垒晶反应，待送腔出口端轴与反应腔、传送腔的轴在同一水平。反应结束后打开传送腔的进口端的盖，然后打开反应腔出口端的盖，传送式基座在气体压力及电辐射力的作用下向传送腔传送，传送腔进口端固定轴与反应腔轴等高，出口端轴略低于进口端，便于传送式基座能进一步在重力作用下顺利完全传送入传送腔，等待下一道工序。

所述的倒置圆柱形反应腔其特征在于其腔体材料选自不锈钢、或石英，优选不锈钢，并且带有冷却液回路。腔体的内壁为石英或是高温陶瓷。

所述的冷却液优选水。

所述的传送式基座，待送腔、反应腔、传送腔对应的盖子开启、关闭在其同一垂直平面内完成。

所述的传送轴在待送腔及传送腔内进口端略高于出口端，且始终保持传送基座在传送过程中不与腔体内壁接触。在反应腔内传送轴两端等高，进口端与待送腔出口端等高，出口端与传送腔进口端等高。基座可在轴上沿轴实现各腔内的传送。垒晶完成后打开出口端，基座可直接把垒晶片传送至传送箱进行冷却等待下一道工序，待送箱内等待垒晶的衬底可直接传送至反应腔进行垒晶。

所述的传送式基座，其带有电磁加热装置，通过电磁辐射为衬底垒晶过程中提供热源。

所述的传送式基座优选石墨传送式基座。

所述的石墨基座上有数个中间带有凸起部件的凹槽，用于放置石墨载盘，石墨载盘其下面圆心部分有一个凹槽，放置石墨基座上凹槽的凸起上，使石墨载盘可在圆周方向外力的作用下围绕中心转动。

所述的石墨载盘根据基座凹槽的大小匹配，其上面有均匀分布的凹槽，凹槽的大小跟垒晶衬底片大小匹配，用于盛载垒晶衬底片，每个石墨载盘盛载同一尺寸的垒晶衬底。

所述的转动式喷淋盘与石墨载盘等大，并与石墨载盘平行，喷淋盘上的出气口除圆心处其余的都不得与石墨载盘垂直，所喷淋出的气体束除圆心处其余的与石墨载盘不垂直；并在同一直径上的气体束喷淋到石墨载盘或衬底上也在同一直径上，且同一直径上相邻气体束出气口之间的距离与喷淋到石墨载盘或衬底上的距离相等；且同一圆周上的相邻两束气体束平行，喷淋到石墨载盘或衬底上也在同一圆周上；并且每一束气体束都打在石墨载盘或衬底上。所以喷出的气体束对石墨载盘在水平方向上产生的是圆周方向的力，另外石墨载盘下面中心凹槽与石墨基座是通过基座凹槽内的凸起接触，凸起起支架作用，同时垒晶过程中电磁辐射加热对石墨载盘有一定的向上浮力，降低了石墨载盘与石墨基座接触点的摩擦力，致使石墨载盘在圆周方向的力作用下围绕中心进行转动，同时保持喷淋盘在喷淋过程中平面内与石墨载盘相反方向上的匀速转动，促使载源气体与反应气体能在反应腔内充分混合，提高了原材料的利用率，节约了成本，增加了垒晶的均匀性，使垒晶的质量较传统MOCVD有了质的飞跃，同时解决了大尺寸衬底垒晶均匀性差的难题。

喷淋盘上的出气口除圆心处其余的角度，小于90°，大于α，α=arc tan （h为石墨载盘与喷淋盘之间的高，r为石墨载盘和喷淋盘的半径），当气体束与石墨载盘的角度越接近α，在

处气体束之间相互干扰的就越多，载源气体与反应气体提前反应，影响垒晶的质量，降低了原材料的利用率。所以优选外围气体束与石墨载盘的角度，小于90°，大于或等于β，β=arc tan

（h为石墨载盘与喷淋盘之间的高，r为石墨载盘和喷淋盘的半径）。最优选等于β，β=arc tan

。

所述的石墨载盘，其非盛载垒晶衬底的部位带有凹形或凸形或凹凸形图形，以此增加气体束对石墨载盘在圆周方向上的力度。

反应腔有两个排气口，在反应腔的下方，分别设在靠近反应腔出口端和进口端，反应腔中固定传送轴左右两边各一个，用于排放垒晶过程中的废气与杂质。

附图说明

本发明中的附图仅用于方便本领域的技术人员对本发明进一步的理解，不得作为权力要求保护范围的限定。

图1、MOCVD新反应装置示意图

图2、倒置圆柱形反应腔及与之匹配的传送腔、待送腔

图3、倒置圆柱形反应腔及与之匹配的传送腔、待送腔内传送轴与传送基座示意图

图4、倒置圆柱形反应腔内转动式喷淋盘与石墨载盘位置示意图

图5、石墨基座背面

图6、石墨基座正面

图7、各种尺寸衬底的石墨载盘

图8、喷淋盘气体束喷淋及其反射示意图

图9、MOCVD传统反应装置示意图

具体实施方式

本发明中的实施例仅用于对本发明进一步解释，不得作为权力要求保护范围的限定。

如图1，MOCVD新反应装置示意图，电控装置1、混气装置2、倒置圆柱形反应腔3、与倒置圆柱形反应腔匹配的待送腔4与传送腔5、尾气处理装置6。倒置圆柱形反应腔及与之匹配的大小、形状相同的传送腔、待送腔，如图2-7，倒置圆柱形反应腔及与之匹配的传送腔、待送腔及其相关配件，把等待垒晶的衬底片放入石墨载盘72，放入石墨传送基座7上，打开待送腔4进口端盖41，把石墨传送基座7放在待送腔4内固定轴上，关闭进口端盖41，等待垒晶。待送腔4内固定轴进口处高于出口端盖42出口处，待送箱内的传送基座的传送轴固定在待送箱内，并且轴在进口端的水平位置略高于出口端，当反应腔3的进口端盖31及待送腔4的出口端盖42打开后，石墨传送基座在重力作用下沿传送轴，把石墨载盘及其上面的衬底片传送入反应腔3内，反应腔3内的轴水平放置，保证在垒晶过程中衬底处于水平位置上，关闭反应腔3的进口端盖31开始垒晶，垒晶结束后，打开传送腔5进口端盖51，再打开反应腔3出口端盖32，石墨传送基座7在反应腔受里面气体压力及电磁辐射力的推击，向传送腔5传送，传送腔5内传送轴进口端高于出口端，保证传送基座7能在重力作用下顺利进入传送腔5内。关闭传送腔5进口端盖51，使垒晶完的衬底片在传送腔5内冷却，等待下一道工序。待送腔4内传送轴出口端位置及传送腔5内传送轴进口端位置与反应腔3内传送轴在同一水平面上，待送腔4，传送腔5内传送轴进口端高于出口端，其高度限制在石墨载盘不得与待送腔、传送腔腔壁接触。

如图2-7，倒置圆柱形反应腔3，圆柱内直径为45cm，内长为140cm，石墨传送式基座7长135cm，宽40cm，基座位于反应腔3的传送轴上，石墨传送式基座上表面位于圆柱腔中间，其下面为电磁加热装置，图5、石墨基座背面，电磁加热装置位于石墨基座的背面，呈条状加热，能对垒晶的衬底片进行均匀加热，并且不易坏损，坏损后也易更换。降低了维修成本。石墨传送式基座7正面为三个直径为35.2cm，深为0. 65cm的圆形凹槽，凹槽中心为一高为0.2cm下直径为0.3cm，上直径为0.2cm的凸起，如图6，石墨基座正面图。与基座配套的石墨载盘72，直径为35cm，高为0.6cm，下表面圆心处为一个与石墨传送式基座凹槽中心凸起匹配的凹处，载盘凹处放在基座凹槽的凸起上，当载盘受圆周方向的力作用下可绕圆心旋转。根据衬底的不同尺寸分不同尺寸的石墨载盘，石墨载盘上表面上均匀排布有盛放衬底的凹槽，其大小与衬底尺寸匹配，石墨载盘表面除凹槽处，其他部位均有凸形、凹形或凹凸形图案。如图7（a-e），图7（a）30×2”能放置30片2英寸的载盘、图7（b）12×3” 能放置12片3英寸的载盘、图7（c） 7×4” 能放置7片4英寸的载盘、图7（d） 3×6” 能放置3片6英寸的载盘、图7（e）1×12” 能放置1片12英寸的载盘。反应腔3内配备与石墨载盘等大的转动式喷淋盘，即直径为35cm，如图4所示，喷淋盘与石墨载盘对应，喷淋盘在石墨载盘正上方，喷淋盘上的气体出口与石墨载盘成一定角度，喷淋盘上的出气口从外围到圆心其角度呈渐增，从arc tan

到90°，最外围为arc tan

，到圆心处为90°。在同一直径上的气体束喷淋到石墨载盘或衬底上也在同一直径上，且同一直径上相邻气体束出气口之间的距离与喷淋到石墨载盘或衬底上的距离相等；且同一圆周上的气体束平行，喷淋到石墨载盘或衬底上也在同一圆周上，圆周上两相邻气体束平行，气体束对石墨载盘在其平面上的力，可以根据平行四边形法则得到气体束对石墨载盘水平方向上的合力为圆周方向上的力，垒晶过程中石墨载盘在气体束的作用下绕圆心旋转，使载盘上各衬底均匀垒晶。另外保持垒晶过程中喷淋盘旋转，各气体束在衬底上均匀混合反应。提高了原料的利用率，并提高了垒晶的质量。

Claims

1.一种MOCVD新反应装置，其特征在于本MOCVD反应装置包括电控装置（1）、混气装置（2）、倒置圆柱形反应腔（3）、与倒置圆柱形反应腔匹配的待送腔（4）与传送腔（5）、尾气处理装置（6）。

2.权利要求1所述的反应装置，其特征在于与倒置圆柱形反应腔匹配的待送腔（4）与传送腔（5），与反应腔大小、形状相同，并排列在同一直线上，待送腔（4）的出口与反应腔（3）的进口对应，反应腔（3）的出口与传送腔（5）的进口对应。

3.权利要求2所述的反应装置，其特征在于倒置圆柱形反应腔（3）、与倒置圆柱形反应腔匹配的待送腔（4）与传送腔（5），里面均设置有固定的传送轴。

4.权利要求3所述的反应装置，其特征在于待送腔（4）、传送腔（5）内传送轴，在进口端盖（41）处高于出口端盖（42）处；反应腔（3）内传送轴水平放置，待送腔（4）出口端的传送轴、传送腔（5）进口端的传送轴与反应腔（3）内的传送轴在同一水平上。

5.权利要求1所述的反应装置，其特征在于倒置圆柱形反应腔（3）内基座为与反应腔匹配的传送式基座（7），传送式基座（7）通过反应腔（3）、待送腔（4）、传送腔（5）内的传送轴，实现在反应腔、待送腔、传送腔内传送；用于喷淋气体的喷淋盘为旋转式喷淋盘。

6.权利要求5所述的反应装置，其特征在于传送式基座（7）背面带有电磁加热装置，对垒晶衬底实现电磁辐射加热。

7.权利要求5所述的反应装置，其特征在于传送式基座正面中间带有凸起部件的圆形凹槽，用于放置石墨载盘，石墨载盘其下面圆心部分有一个凹槽，放置石墨基座上凹槽的凸起上，使石墨载盘可在圆周方向外力的作用下围绕中心转动。

8.权利要求7所述的反应装置，其特征在于石墨载盘根据基座圆形凹槽的大小匹配，其上面有均匀分布的凹槽，凹槽的大小跟垒晶衬底片大小匹配，用于盛载垒晶衬底片。

9.权利要求5所述的反应装置，其特征在于转动式喷淋盘与石墨载盘等大，并与石墨载盘平行，喷淋盘出气口均匀密布于喷淋盘上，喷出的气体束除圆心处，其余的都不与石墨载盘垂直，在垒晶过程中喷淋盘处于水平方向上转动。

10.权利要求9所述的反应装置，其特征在于，垒晶过程中转动式喷淋盘转动的方向与石墨载盘转动的方向相反。

11.权利要求9所述的反应装置，其特征在于，在同一直径上的气体束喷淋到石墨载盘或衬底上也在同一直径上，且同一直径上相邻气体束出气口之间的距离与喷淋到石墨载盘或衬底上的距离相等；且同一圆周上的气体束喷淋到石墨载盘或衬底上也在同一圆周上，相邻两束气体束平行；并且每一束气体束都打在石墨载盘或衬底上。

12.权利要求9-11所述的反应装置，其特征在于，气体束与石墨载盘或衬底的角度除圆心处，小于90°，大于α，α=arc tan 。

13.权利要求12所述的反应装置，其特征在于，气体束与石墨载盘或衬底的角度除圆心处，大于或等于β，β=arc tan

Figure 2012201060966100001DEST_PATH_IMAGE002

。

14.权利要求13所述的反应装置，其特征在于，气体束与石墨载盘或衬底的角度除圆心处，等于β，β=arc tan

。

15.权利要求7-14所述的反应装置，其特征在于，石墨载盘表面除凹槽部位，其它部位均有凹形或凸形或凹凸形图形。