CN202786418U - 一种mocvd设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及MOCVD设备，使两种气体的喷孔均匀有间隔地交替分布在进气装置的底面，使两种气体进入反应区域后能有效混合，并容易控制气体均匀垂直地输送到衬底片表面上，来进行外延反应。衬底片的托盘采用高速旋转的结构，利用由此产生的泵效应能够把反应气体迅速地输送到衬底片的表面上，并且通过高速旋转的离心力还可以把反应后的气体迅速排出，实现了外延生长需要的条件。此外，反应区域的空间高度适合配置机械手，以便于实现对托盘的机械化传送，使得MOCVD设备适合自动化生产的要求。

Description

一种MOCVD设备

技术领域

本实用新型涉及半导体薄膜生长装置，尤其涉及一种MOCVD设备。 

背景技术

用于发光的晶体结构的GaN（氮化镓）材料必须在一定的温度，压力，化学气体组分条件下生长，MOCVD（金属有机化学气相沉积）反应器提供了这个生长过程所有必须满足的条件。 

目前比较通用的商业化的MOCVD设备主要有三种。 

如图1所示，是一种采用平行气流输送结构的MOCVD设备。MO源（即金属有机化合物）和其他化学气体（例如是氨气）分成两路，在图1中分别以实线（气体A）和虚线（气体B）的箭头表示，被平行地输送到外延衬底片130（例如蓝宝石外延片）的表面上，进行外延生长。若干衬底片130放在托盘121上，若干个托盘121环状分布在主盘120上。加热元件位于托盘121的下部。为了保证衬底片130上气体的均匀性以及托盘121加热的均匀性，主盘120沿着自己的轴心旋转，同时每个衬底片托盘121还沿着各自的轴心旋转。这种结构的主盘120和托盘121的旋转速度都比较低，一般小于100rpm（转/分钟），衬底片130上面的空间也比较小，以保证气体流场能够适合外延生长的条件，但是这种结构很难实现自动化操作。 

如图2所示，是一种采用垂直气流喷淋头结构的MOCVD设备。MO源和其他化学气体垂直地通过喷淋头210上开设的两组喷孔211和212，分别输送到外延衬底片230的表面上，进行外延生长。为了有效地将气体输送到外延生长的表面，喷淋头210距离外延衬底片230非常近，一般小于15mm（毫米）。若干衬底片230按照一定的规律放置在托盘220上，若干加热元件240位于托盘220的下部。为了保证衬底片230上气体的均匀性以及托盘220加热的均匀性，托盘220沿着自己的轴心旋转。这种结构的旋转速度比较低，一般小于200rpm。喷淋头210结构的气体输送保证了气体输送的一致性，也有效地的保证了两种气体在外延衬底片230表面的充分混合。由于喷淋头210和托盘220距离近，一方面，气体可以有效地输送到衬底片230的表面，提高了气体的利用率。但另一方面，机械化传送托盘220变得很难实现，无法满足自动化生产的要求。 

配合参见图3、图4所示，是一种采用垂直气流输送以及高速托盘旋转结构的MOCVD设备。MO源和其他化学气体通过喷淋头310上两组若干平行交替分布的狭缝状通道311和312（为便于区分，在图4中对通道311和312用不同的填充效果来表示）送入反应区域内，垂直地输送到外延衬底片330的表面上，进行外延生长。为了有效地将气体输送到外延生长的表面，装载外延衬底片330的托盘320高速旋转，一般大于600rpm。若干衬底片330按照一定的规律放在托盘320上，加热元件340位于托盘320的下部，来加热托盘320。为了保证衬底片330上气体的均匀性以及托盘320加热的均匀性，托盘320沿着自己的轴心旋转。这种条件下喷淋头310下表面和外延生长表面有较大的距离（一般大于60mm），这个比较大的距离可以方便的实现机械化传送托盘320，实现了自动化生产。由于距离比较大，托盘转速比较高，气体的消耗量也随之增大，提高了相应的生产成本。 

随着大规模生产的发展，MOCVD设备的反应腔体尺寸越来越大，每次生长的衬底片数量越来越多或者衬底片尺寸越来越大。如何适应这种发展趋势，提供一种合适的MOCVD设备已经成为业界的一种挑战。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种能够有效控制气体输送及混合的MOCVD设备。 

为了实现上述目的，本实用新型一个实施例中提供的MOCVD设备， 包括：反应腔体、托盘、旋转轴和进气装置，其中所述托盘位于反应腔体内，该托盘用于放置至少一个衬底片；所述旋转轴与托盘直接接触，用以支撑托盘以及带动托盘旋转；所述进气装置位于托盘上方，该进气装置底面设有多个均匀分布的喷孔，用以输出至少两路反应气体至所述托盘的上表面，所述喷孔至少包括第一喷孔和第二喷孔，所述第一喷孔用以输出第一反应气体，所述第二喷孔用以输出第二反应气体 。 

优选的实施例中，所述进气装置底面和托盘上表面之间的距离为30-70毫米。 

优选的实施例中，在进行衬底片表面的薄膜外延反应时，所述托盘处于旋转状态，转速为100-1200转/分钟。 

进一步优选的实施例中，托盘的转速为600-1200转/分钟。 

优选的实施例中，相邻喷孔之间的距离为5-20毫米。 

优选的实施例中，所述第一喷孔和第二喷孔在进气装置底面交替地均匀排列，以使输出的第一反应气体和第二反应气体在托盘上方均匀混合。 

优选的实施例中，所述第一喷孔和第二喷孔排列成多列，任意一列中的各个喷孔是第一喷孔和第二喷孔中的一种喷孔，而该任意一列的相邻一列中的各个喷孔是第一喷孔和第二喷孔中的另一种喷孔；或者， 

所述第一喷孔和第二喷孔排列成多列，任意相邻俩列中的一列中的各个喷孔按照第一喷孔、第二喷孔的顺序交替排列，另一列中的各个喷孔按照第二喷孔、第一喷孔的顺序交替排列。

优选的实施例中，所述MOCVD设备还包括机械手，该机械手支持径向伸缩、轴向转动和上下移动的三维运动，用以将托盘放入反应腔体内或者将托盘从反应腔体内取出。 

优选的实施例中，所述反应腔体侧壁设有用以将托盘放入反应腔体内或者将托盘从反应腔体内取出的开口；所述MOCVD设备还包括可移动挡板，用以在外延反应时关闭该开口，以及在外延反应停止后打开该开口。 

优选的实施例中，所述进气装置为喷淋头或者所述进气装置的一部分为喷淋头。 

优选的实施例中，所述进气装置中设有冷却结构，用以控制该进气装置的温度。 

与现有技术相比，本实用新型提出了一种MOCVD设备，其优点在于：本实用新型中，在进气装置的底面设置均匀分布的喷孔，使得气体的均匀输送容易控制，反应气体进入反应区域以后可以有效地混合，并把气体垂直地输送到衬底片的表面上；而且，本实用新型放置衬底片的托盘与旋转轴直接接触，旋转轴能够带动托盘高速旋转，利用由此产生的泵效应能够把反应气体迅速地输送到衬底片的表面上，并且通过高速旋转的离心力还可以把反应后的气体迅速排出，实现了外延生长需要的条件。 

进一步地，通过设置进气装置底面和托盘上表面的距离提供反应区域的合适高度，适合两种反应气体的充分混合并能够有效地应用于外延生长；而且这个高度又便于实现对托盘的机械化传送，使得MOCVD设备适合自动化生产的要求。 

附图说明

图1是现有一种平行气流输送的MOCVD设备的结构侧视示意图及其中托盘的俯视示意图； 

图2是现有垂直喷淋式的MOCVD设备的结构侧视示意图；

图3是现有高速旋转式的MOCVD设备的结构侧视示意图；

图4是现有高速旋转式的MOCVD设备中喷淋头的仰视示意图；

图5是本实用新型实施例中MOCVD设备的结构侧视示意图；

图6~图9是本实用新型实施例中MOCVD设备的进气装置中喷孔的四种分布方式示意图。

具体实施方式

如图5所示，本实用新型一个实施例提供的MOCVD设备中，主要包括反应腔体50、进气装置10、用于放置若干衬底片30（或称外延片）的托盘20、支持以及带动托盘20旋转的旋转轴60，其中托盘20位于反应腔体50内，托盘20用于放置至少一个衬底片30；旋转轴60与托盘20直接接触，用以支撑托盘20以及带动托盘20旋转；进气装置10位于托盘20上方，进气装置10底面设有多个均匀分布的喷孔，用以输出至少两路反应气体至所述托盘20的上表面，所述喷孔至少包括第一喷孔11和第二喷孔12，第一喷孔11用以输出第一反应气体，所述第二喷孔12用以输出第二反应气体。进一步地，进气装置10也可以位于反应腔体50内。此外本实施例中MOCVD设备还包括加热器40、排气管路70等。 

其中，反应腔体50实现了MOCVD设备内部与外部的完全隔离，反应腔体50里的压力可以通过控制进气量和排气量来进行控制，反应腔体50内可以设置为真空或者低压环境。本实用新型中在进气装置10的底面设置均匀分布的喷孔，使得气体的均匀输送容易控制，反应气体进入反应区域以后可以有效地混合，并把气体垂直地输送到衬底片30的表面上；而且，本实用新型放置衬底片30的托盘20与旋转轴60直接接触，旋转轴60能够带动托盘20高速旋转，利用由此产生的泵效应能够把反应气体迅速地输送到衬底片30的表面上，并且通过高速旋转的离心力还可以把反应后的气体迅速排出，实现了外延生长需要的条件。 

具体地，进气装置10可以是任意一种能够实现气体输送的设备，例如，该进气装置可以是喷淋头101或者该进气装置的一部分为喷淋头101。在一种可选方式中，进气装置为喷淋头101，所述喷淋头101设置在反应腔体50内的顶部；用于放置衬底片30的托盘20位于喷淋头101的下方。喷淋头101内部相应的管路结构及管路出口的喷孔设计，能够将至少两路不同的工艺气体例如MO源和其他反应气体输送进入反应腔体50内的反应区域。上述喷淋头101能够有效地控制整个托盘20上方反应区域里的气流分布情况，例如将工艺气体垂直地均匀输送到托盘20上的衬底片30表面进行外延反应。本实施例中反应区域大致位于喷淋头101的底面到托盘20的顶面（或称为上表面）之间，该反应区域具有适当的空间高度，以适合工艺气体的充分混合，并便于实现机械化传送托盘20的要求，在一种可选方案中，喷淋头101的底面和托盘20的上表面之间的距离可以是30mm-70mm。进气装置10例如喷淋头101中还可以进一步设置有冷却结构（图中未示出），例如是水冷却结构，以控制进气装置10的温度。 

此外，为了实现机械化传送托盘20的要求，本实施例中MOCVD设备还可以包括机械手（图中未示出），该机械手支持径向伸缩、轴向转动和上下移动的三维运动，用以将托盘20放入反应腔体50内或者将托盘20从反应腔体50内取出。为方便机械手的运动，进一步地，反应腔体50侧壁设有开口（图中未示出），用来将托盘20放入反应腔体50内或者将托盘20从反应腔体50内取出。优选地该开口在垂直方向上位于喷淋头101的底面到托盘20的顶面（或称为上表面）之间，机械手通过该开口将托盘20放入反应腔体50内或者将托盘20从反应腔体50内取出。需要指出的是，为保证反应腔体50内部与外部的完全隔离，MOCVD设备还包括可移动的挡板（图中未示出），在MOCVD设备进行外延反应时，移动该挡板关闭该开口，在外延反应停止后，可以移动该挡板打开该开口。 

加热器40位于衬底片30的托盘20下方，并通过合适的温度测量和控制装置，从托盘20的底部均匀地加热托盘20。排气管路70实现了把反应后的气体排出反应腔体50的作用，例如可以将排气管路70设置在反应腔体50的底部，并通过连接外部的真空泵（图中均未示出）来排出外延反应后的气体。 

本实施例中旋转轴60（例如是从下方）与托盘20直接接触，可以稳定地支撑托盘20，在驱动装置（例如马达，图中未示出）的作用下，旋转轴60能够稳定地在不同的转速下运行以带动托盘20沿其轴心旋转，来保证衬底片30上气体分布的均匀性以及对托盘20加热的均匀性，在一种可选方案中，托盘20旋转速度在100rpm-1200rpm之间，优选地托盘20运行在高速旋转状态例如托盘20旋转速度在600rpm-1200rpm之间。旋转轴60可以承受高温，旋转轴60和反应腔体50之间设置有密封装置（图中未示出），以在实现旋转轴60转动的同时保证反应腔体50的内部与反应腔体50的外部是真空隔离的。托盘20上设置有在高速旋转时衬底片30也不会从托盘20上甩出的结构。 

本实用新型中通过选择喷淋头101上设置的喷孔的形式，喷孔之间的距离，喷孔的排布方式，两种不同气体喷孔之间的交替方式，能够达到良好的气体输送以及两种气体的充分混合。 

在图5中，省略了对喷淋头内部气体管路的绘制，对第一反应气体在出口的流向以实线箭头表示，该路气体A（即第一反应气体）通过喷淋头101上的多个第一喷孔11输送；对第二反应气体在出口的流向以虚线箭头表示，该路气体B（即第二反应气体）通过喷淋头101上的多个第二喷孔12输送。两路气体的喷孔则按照一定的规律均匀排布在喷淋头101上，在图6~图9中示出了两种气体的喷孔在进气装置10例如喷淋头101上的四种优选分布结构，第一喷孔11和第二喷孔12在进气装置10底面交替地均匀排列。这些喷孔相互之间都具有一定的间隔距离，相邻喷孔之间的距离为5mm到20mm；其中第一喷孔11以实心方式表示，第二喷孔12以空心方式表示。需要说明的是，本实用新型在这四个实施例中所述的“上下”及“左右”方向，是指图6~图9中展现在纸面上的位置关系，并非指实际在喷淋头101中竖直方向或水平方向上的排布方向。 

在一种可选方式中，第一喷孔11和第二喷孔12排列成多列， 任意一列中的各个喷孔是第一喷孔11或和第二喷孔12中的一种喷孔，而该任意一列的相邻一列中的各个喷孔是第一喷孔11或和第二喷孔12中的另一种喷孔。 

或者，在另一种可选方式中，第一喷孔11和第二喷孔12排列成多列，任意相邻俩列中的一列中的各个喷孔按照第一喷孔11、第二喷孔12的顺序交替排列，另一列中的各个喷孔则按照第二喷孔12、第一喷孔11的顺序交替排列。 

具体实现时，在如图6所示的第一实施例a中，多个第一喷孔11和多个第二喷孔12以类似于矩阵的方式排布（在“上下”及“左右”方向分别对齐），并且，在任意一行及任意一列中第一喷孔11和第二喷孔12都是交替设置，即，任意一行及任意一列中相邻的两个喷孔种类不同，分别属于第一喷孔11和第二喷孔12。 

在如图7所示的第二实施例b中，相当于进一步将第一实施例中相邻两列喷孔的位置“上下”错开：任意一列中第一喷孔11和第二喷孔12交替设置，并且，任意一列中的各个喷孔与相邻一列中的邻近喷孔不在同一行内（相当于这两列的喷孔在“上下”位置相互不对齐）。即是说，每个喷孔所在的那一行，处在相邻一列中邻近的两个种类不同的喷孔所在的两行之间。而任意一列中的各个喷孔可以与隔开一列中的相应喷孔处在同一行（或者也可以不处在同一行）。例如图7中示出的一部分结构中，第二列的各个喷孔没有与第一列和第三列的各个喷孔处在同一行，然而所述第二列的各个喷孔可以与第四列的各个喷孔处在同一行。 

如图8所示的第三实施例c与第一实施例相类似，多个第一喷孔11和多个第二喷孔12也以类似于矩阵的方式排布（在“上下”及“左右”方向分别对齐），并且，任意一列中的各个喷孔是同一种类的喷孔，而相邻一列中的各个喷孔则属于另一种类的喷孔。例如图8中示出的一部分结构中，第一列和第三列的各个喷孔都是第一喷孔11，而第二列和第四列的各个喷孔都是第二喷孔12。 

在如图9所示的第四实施例d中，相当于进一步将第三实施例中相邻两列喷孔的位置“上下”错开，使得任意一列中的各个喷孔是同一种类的喷孔，而相邻一列中的各个喷孔则属于另一种类的喷孔，并且与第二实施例中的相类似，任意一列中的各个喷孔与相邻一列中的邻近喷孔不在同一行内（相当于这两列的喷孔在“上下”位置相互不对齐）。而任意一列中的各个喷孔可以与隔开一列中的相应喷孔处在同一行（或者也可以不处在同一行）。 

而且，第一到第四实施例所述的喷淋头101结构可以通过改进，用来输送三种（或更多种）的外延反应气体，比方说，在第一、第二实施例中，每一行和/或每一列中使三种（或更多种）喷孔交替布置；或者，在第三、第四实施例中使三种（或更多种）喷孔交替布置在相邻的三列（或更多列）中。又例如，在第一、第二实施例或第三、第四实施例及上述的改进结构中，各种喷孔不是以一个隔一个或一列隔一列的形式交替布置，而是可以在重复设置了两个/两列（或更多个/更多列）相同种类的喷孔后，再交替设置两个/两列（或更多个/更多列）为其他种类的喷孔；或者，不同种类的气体重复设置的个数或列数也可以是不同的。又例如，在第二到第四实施例及上述的两种改进结构中，可以将对每一列喷孔的布置结构应用到对每一行喷孔的布置结构中，以实现相类似的气体输送控制效果：比方说，第二实施例的改进结构中，相当于将第一实施例中相邻两行喷孔的位置“左右”错开，使每个喷孔所在的那一列，处在相邻一行中邻近的两个种类不同的喷孔所在的两列之间；或者，第三实施例的改进结构中，任意一行中的各个喷孔是同一种类的喷孔，而相邻一行中的各个喷孔则属于另一种类的喷孔。 

另外，在具体实现时，可以在喷孔间距、托盘20旋转速度及反应腔体50内反应区域的空间高度中选择任意一种参数或选择多种参数的组合，来实现在不同尺寸MOCVD设备反应腔体里面的较佳外延生长环境。优选的实施例中，喷淋头101上任意俩个相邻喷孔之间的距离从5mm到20mm。或者，托盘20旋转速度在100rpm到1200rpm之间，优选地600rpm到1200rpm之间。或者，托盘20上方反应区域的空间高度，也就是喷淋头101底面到衬底片表面（或者到托盘上表面）之间的距离h在30mm到70mm之间。或者，可以是上述参数中任意两种或更多种的结合。 

本实用新型提供的MOCVD设备可以有效的生长高质量外延结构，例如种子层GaN，无掺杂GaN，p掺杂GaN，n掺杂GaN，量子阱等用于构成一个完整LED结构的各种晶格结构薄膜，并且可以在同一个反应腔体50里面连续的完成一个完整结构LED的生长。由于反应气体垂直进入反应区域以后可以有效地充分混合，外延片衬底的均匀性得到了改善， 

本实用新型提供的MOCVD设备可以生长出高质量的蓝光LED和绿光LED，除适用于传统的2英寸外延片之外，还适用于更大尺寸的外延片，例如4英寸、6英寸等。

进一步地，本实用新型提供的MOCVD设备适合采用机械手在高温情况下（大于400度）传送托盘20，减少了托盘20加热和冷却的等待时间，大大提高了MOCVD设备的利用时间，提高了设备的产能，降低了每个芯片外延生长的成本。 

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。 

Claims (11)

1.一种MOCVD设备，其特征在于，包括：反应腔体、托盘、旋转轴和进气装置，其中所述托盘位于所述反应腔体内，该托盘用于放置至少一个衬底片；所述旋转轴与托盘直接接触，用以支撑托盘以及带动托盘旋转；所述进气装置位于托盘上方，该进气装置底面设有多个均匀分布的喷孔，用以输出至少两路反应气体至所述托盘的上表面，所述喷孔至少包括第一喷孔和第二喷孔，所述第一喷孔用以输出第一反应气体，所述第二喷孔用以输出第二反应气体。

2.如权利要求1所述的MOCVD设备，其特征在于：所述进气装置底面和托盘上表面之间的距离为30-70毫米。

3.如权利要求1所述的MOCVD设备，其特征在于：在进行衬底片表面的薄膜外延反应时，所述托盘处于旋转状态，转速为100-1200转/分钟。

4.如权利要求3所述的MOCVD设备，其特征在于：所述托盘的转速为600-1200转/分钟。

5.如权利要求1所述的MOCVD设备，其特征在于：相邻喷孔之间的距离为5-20毫米。

6.如权利要求1所述的MOCVD设备，其特征在于：所述第一喷孔和第二喷孔在进气装置底面交替地均匀排列，以使输出的第一反应气体和第二反应气体在托盘上方均匀混合。

7.如权利要求6所述的MOCVD设备，其特征在于：所述第一喷孔和第二喷孔排列成多列，任意一列中的各个喷孔是第一喷孔和第二喷孔中的一种喷孔，而该任意一列的相邻一列中的各个喷孔是第一喷孔和第二喷孔中的另一种喷孔；或者，

所述第一喷孔和第二喷孔排列成多列，任意相邻俩列中的一列中的各个喷孔按照第一喷孔、第二喷孔的顺序交替排列，另一列中的各个喷孔按照第二喷孔、第一喷孔的顺序交替排列。

8.如权利要求1所述的MOCVD设备，其特征在于：所述MOCVD设备还包括机械手，该机械手支持径向伸缩、轴向转动和上下移动的三维运动，用以将托盘放入反应腔体内或者将托盘从反应腔体内取出。

9.如权利要求8所述的MOCVD设备，其特征在于：所述反应腔体侧壁设有用以将托盘放入反应腔体内或者将托盘从反应腔体内取出的开口；所述MOCVD设备还包括可移动挡板，用以在外延反应时关闭该开口，以及在外延反应停止后打开该开口。

10.如权利要求1所述的MOCVD设备，其特征在于：所述进气装置为喷淋头或者所述进气装置的一部分为喷淋头。

11.如权利要求1或10所述的MOCVD设备，其特征在于：所述进气装置中设有冷却结构，用以控制该进气装置的温度。

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