TW201420805A - 托盤裝置、反應腔室和金屬有機化合物化學氣相沉積（ｍｏｃｖｄ）設備 - Google Patents

托盤裝置、反應腔室和金屬有機化合物化學氣相沉積（ｍｏｃｖｄ）設備 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種托盤裝置、反應腔室以及包括該反應腔室的金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)設備。所述托盤裝置包括大托盤、旋轉軸、小托盤、以及支撐盤；其中，所述旋轉軸與所述大托盤的中心相連接並帶動大托盤以旋轉軸為中心進行旋轉；所述大托盤上設置有用於放置小托盤的托盤槽；所述支撐盤位於大托盤的下方，且支撐盤和小托盤之間設置有滑動機構，以使得小托盤在隨著大托盤進行公轉的同時，在滑動機構的作用下進行自轉。本發明提供的托盤裝置、反應腔室以及MOCVD設備的結構更加簡潔，加工和安裝過程也更加簡單、維護和使用也更為方便。

Description

托盤裝置、反應腔室和金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)設備
本發明涉及半導體技術，特別涉及一種托盤裝置、反應腔室和MOCVD設備。
氣相磊晶(Vapour phase epitaxy，VPE)生長方法包括氫化物氣相磊晶(hydride vapor phase epitaxy，HVPE)和金屬有機化合物化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD)方法等。氣相磊晶技術可用於製備高性能的化合物半導體單晶薄片，其主要是利用III族、II族元素的有機化合物和V、VI族元素的氫化物等作為晶體生長源材料，以熱分解反應方式在襯底上進行氣相磊晶，生長各種III-V族、II-VI族化合物半導體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。氣相磊晶生長可用於磊晶薄膜(特別是高品質的磊晶薄膜)的生長，且其對襯底材料本身的溫度均勻性、反應氣體濃度分佈狀況、襯底上方反應場的均勻性等都有著極高的要求，這些均勻性也直接決定生長出的磊晶片的品質。加熱的均勻性和氣體的濃度分佈的均勻性將共同影響反應腔室內的反應場分佈的均勻性，進而影響磊晶生長的均勻性等品質相關參數。
如上所述，加熱的均勻性將影響磊晶生長均勻 性。目前主要使用的加熱方法包括熱傳遞方法和感應加熱方法。對於熱傳遞方法，通常是將襯底材料放置於石墨材料的托盤上，並將托盤置於基座上，而後採用諸如電阻絲等的加熱部件在基座底部進行加熱，熱量自基座傳導至托盤，再借助托盤的熱傳導效應來加熱襯底材料；若利用多區電阻絲同時進行加熱，則可以提高基座的溫度均勻性，進而改善襯底生長時的溫度穩定性和均勻性。實際應用中，上述熱傳遞方法加熱速度較慢，控制過程複雜，熱傳導過程中熱量除了向襯底表面傳導外，還會往其他方向傳導，因而熱量利用效率低，並且對反應腔室水冷結構的設計要求較高。
至於感應加熱方法，通常是將線圈置於襯底下部或置於托盤四周，向線圈通入高頻電流後，托盤和襯底表面將會出現感生渦流，從而可以迅速加熱襯底。在實際應用中，上述感應加熱方法的加熱速度較快，但是，線圈產生的磁場在托盤中心和邊緣往往分佈不均勻，這將導致托盤不能被均勻加熱，從而影響托盤上的襯底的加熱均勻性。
此外，氣體的濃度分佈也是影響磊晶生長的均勻性的因素。目前的進氣技術主要有噴淋頭技術、中央進氣技術、以及特別適用於小產量(2片至8片)設備的直接從托盤或腔室的一側吹至另一側的進氣技術。然而在實際應用中，這些技術都不可避免地存在這樣的問題：即，由於腔室內不同區域的溫度不同，如襯底表面近氣體入口端和遠氣體入口端即存在溫度差異，這樣，氣體進入腔室之後， 在溫度高的區域易相互反應，從而導致襯底表面上的靠近氣體入口端和遠離氣體入口端的位置處的反應氣體的濃度不同，這將影響襯底上方的反應場均勻性，進而導致磊晶片生長得不均勻，而磊晶片生長不均勻又將加劇襯底表面出現裂紋分佈、位元錯密度等缺陷，最終嚴重影響生長品質。
針對上述各種問題，為了改善磊晶生長的均勻性，本領域技術人員提出了很多改進措施，例如，Veeco公司和Thomas Swan公司給出了諸如進氣系統的噴淋頭的新型設計、使托盤高速旋轉等改進措施；再如，Axitron公司給出了諸如採用中央分層進氣系統、使氣墊托盤以類似行星運動方式的旋轉(以下簡稱為氣墊托盤行星旋轉)等改進措施。然而，這些改進措施都對機械結構的精度和加工工藝要求很高，同時基於這些改進措施而得到的設備安裝、維護都較為困難。
請參閱圖1，其示出了Axitron公司所採用的氣墊托盤行星旋轉技術的示意圖，其中，大托盤101上設置有多個用於承載晶片103的小托盤102，並且大托盤101和小托盤102均能夠借助氣體懸浮作用而旋轉，這樣，在工藝過程中，借助所設計的氣墊以及氣路結構，可以在大托盤101帶動小托盤102進行公轉的同時，使小托盤102還能夠進行自轉。
然而，Axitron公司的上述反應腔室中採用了電阻多區控溫方法，除加熱程式複雜外，還存在著升溫速度慢、設備產能較低等嚴重缺點。並且，Axitron公司所採用 的氣墊托盤行星旋轉技術雖然能滿足磊晶工藝的要求，但為實現行星式旋轉所採用的氣墊結構必須採用複雜的氣路結構，並且在旋轉過程中必須考慮到腔室內部複雜的流體變化。另外，氣墊進氣口的設計、加工安裝、設備的維護和使用也都非常複雜。
本發明提供一種托盤裝置、反應腔室和包括該反應腔室的金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)設備，用於解決現有技術中在實現大托盤和小托盤的公轉和自轉時，採用的氣墊和氣路結構過於複雜、以及使得工藝設備的設計、加工安裝、維護使用都十分困難的問題。
為了實現上述發明目的，本發明實施例提供了一種托盤裝置，所述托盤裝置包括大托盤、旋轉軸、小托盤以及支撐盤；其中，所述旋轉軸與大托盤的中心相連接並帶動大托盤以旋轉軸為中心進行旋轉；所述大托盤上設置有用於放置小托盤的托盤槽；所述支撐盤位於大托盤的下方，支撐盤和小托盤之間設置有滑動機構，以使得小托盤在隨著大托盤進行公轉的同時，在滑動機構的作用下進行自轉。
較佳的，所述滑動機構包括第一滑動凹槽和滑動梢，該第一滑動凹槽形成於支撐盤的上表面，該滑動梢的上端與小托盤上的除中心位置之外的第一位置固定連接，滑動梢的下端滑動連接至第一滑動凹槽，且滑動梢能夠沿所述第一滑動凹槽進行運動；其中，第一滑動凹槽是閉合的，並且第一滑動凹槽上的任意一點與第一軌跡之間 的距離小於或等於所述第一位置與小托盤的中心之間的距離，且所述第一滑動凹槽上至少存在一點，該點與第一軌跡之間的距離小於所述第一位置與小托盤的中心之間的距離；其中，所述第一軌跡是指小托盤進行公轉時其中心點所形成的運動軌跡。
較佳的，所述滑動機構包括第二滑動凹槽和滑動凸台，該滑動凸台形成於支撐盤的上表面，該第二滑動凹槽形成於小托盤的底部，滑動凸台的上端與第二滑動凹槽滑動連接，以使得小托盤在隨大托盤一起運動時，滑動凸台能夠沿第二滑動凹槽運動，以帶動小托盤進行自轉。
較佳的，所述第一滑動凹槽的形狀為所述第一位置的運動軌跡，該第一位置的座標(X1,Y1)關於時間t的運算式為：X1=R1×cos(2×pi×V1×t)+D1×cos(2×pi×V2×t)；Y1=R1×sin(2×pi×V1×t)+D1×sin(2×pi×V2×t)；其中，設置大托盤的中心為座標原點，R1為小托盤的中心和大托盤的中心之間的距離，D1為第一位置與小托盤的中心之間的距離，V1為大托盤的旋轉速度，V2為小托盤的自轉速度；且V2為V1的整數倍，或V1為V2的整數倍。
較佳的，所述第一滑動凹槽為圓形，圓形的半徑等於小托盤的中心與反應腔室中心之間的距離，且所述圓形的圓心與第一軌跡的中心之間的距離等於第一位置與小托盤的中心之間的距離。
較佳的，所述第一滑動凹槽由複數個圓弧組 成。
較佳的，所述複數個圓弧的直徑是根據預先設定的運動經過點而設置的，其中運動經過點是根據大托盤和小托盤的旋轉圈數之間的關係而確定的。
較佳的，所述第一滑動凹槽的側壁是光滑的。
較佳的，所述滑動梢與小托盤一體成形。
較佳的，所述滑動凸台與支撐盤一體成形。
較佳的，所述小托盤的數目為N個，大托盤上設置有N個托盤槽，該N個托盤槽分別與N個小托盤相對應，其中N為大於1的正整數。
較佳的，所述滑動梢的數目為M+1個，第一滑動凹槽的數目為M+1個，該M+1個第一滑動凹槽與M+1個滑動梢分別相對應；或者所述滑動梢的數目為M個，且第一滑動凹槽的數目為1個，M個滑動梢對應所述1個第一滑動凹槽；其中，M為大於等於1的正整數。
較佳的，M為小於5的正整數。
為了實現上述發明目的，本發明還提供了一種反應腔室，其包括腔體，並且在所述腔體內設置有如前述任意一種托盤裝置。
較佳的，所述托盤裝置的數量為複數個，該等托盤裝置沿所述反應腔室的軸向方向間隔一定距離地逐層排列
為了實現上述發明目的，本發明實施例還提供了一種金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)設備，其包括如前述任意一反應腔室。
本發明之優點包括：在托盤裝置中，通過大托盤、小托盤以及支撐盤的三層托盤機構，在大托盤帶動小托盤公轉的同時，利用在小托盤和支撐盤之間設置的滑動機構所產生的作用力，使得小托盤進行自轉，從而通過小托盤的自轉改善磊晶生長的溫度均勻性、氣體濃度均勻性、以及反應場分佈的均勻性；並且，相對於現有技術中通過複雜的氣路結構實現公轉和自轉相結合的複合旋轉機構，本發明實施例提供的托盤裝置中的複合旋轉機構的結構更加簡潔，加工和安裝過程也更加簡單、維護和使用都較為方便。
類似地，由於本發明實施例提供的反應腔室和MOCVD設備中均設置有本發明提供的上述托盤裝置，因此，該反應腔室和MOCVD設備同樣具有上述特點，即，結構更加簡潔，加工和安裝過程也更加簡單、維護和使用都較為方便。
101‧‧‧大托盤
102‧‧‧小托盤
201‧‧‧大托盤
202‧‧‧旋轉軸
203‧‧‧小托盤
204‧‧‧滑動梢
205‧‧‧第一滑動凹槽
206‧‧‧托盤槽
207‧‧‧支撐盤
210‧‧‧腔體
211‧‧‧滑動凸台
212‧‧‧第二滑動凹槽
31‧‧‧第一軌跡
圖1為現有技術中氣墊托盤行星旋轉技術的示意圖；圖2為本發明實施例提供的一種反應腔室的結構示意圖；圖3A為本發明實施例提供的托盤裝置中的第一滑動凹槽的第一種設置示意圖；圖3B為本發明實施例提供的托盤裝置中的第一滑動凹槽的第二種設置示意圖；圖3C為本發明實施例提供的托盤裝置中的第一滑動 凹槽的第三種設置示意圖；圖3D為本發明實施例提供的托盤裝置中的第一滑動凹槽的第四種設置示意圖；圖3E為本發明實施例提供的托盤裝置中的第一滑動凹槽的第五種設置示意圖；圖4為本發明實施例提供的托盤裝置中的另一種第一滑動凹槽的設置示意圖；圖5為本發明實施例提供的托盤裝置中的另一種滑動機構的結構示意圖；圖6為本發明實施例提供的另一種反應腔室的結構示意圖。
為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明實施例提供的反應腔室以及MOCVD設備進行詳細描述。
請參閱圖2，為本發明實施例提供的一種反應腔室的結構示意圖。如圖2所示，該反應腔室包括腔體210以及位於腔體210之內的托盤裝置，所述托盤裝置包括大托盤201、旋轉軸202、小托盤203、以及疊置在大托盤201的下方的支撐盤207。其中，腔體210設置成圓筒狀，大托盤201和小托盤203均設置成圓形的托盤，且腔體210的中心軸在大托盤201上的投影與大托盤201的圓心重合。旋轉軸202與大托盤201的中心(即，圓心位置處)相連接並且能夠帶動大托盤201以旋轉軸202為軸(即，以反應腔室的中心軸為軸)進行旋轉；所述大托盤201上設有托盤槽 206，所述托盤槽206用於放置所述小托盤203，且托盤槽206與所述支撐盤207相連通，較佳的，所述托盤槽206中的用於容納所述小托盤203的那一部分的形狀與所述小托盤203的形狀對應；支撐盤207和小托盤203之間設置有滑動機構，以使得所述小托盤203在隨著大托盤201進行公轉的同時，在滑動機構的作用下進行自轉。在此，所謂公轉是指小托盤203的中心(即圓心)隨大托盤201一起圍繞大托盤201的圓心進行的旋轉；所謂自轉是指小托盤203圍繞其自身的中心進行的旋轉。
旋轉軸202穿過支撐盤207的中心但不與其相連接，因而支撐盤207是固定不動的。托盤槽206與支撐盤207之間可以是全部或者部分地連通：當托盤槽206與支撐盤207之間全部連通時，托盤槽206沒有底面且其呈現為沿大托盤201的厚度方向完全貫穿大托盤201的通孔的形式，這樣，大托盤201在垂直方向上對小托盤203沒有支撐作用，小托盤203是由支撐盤207通過滑動機構來進行支撐的；當托盤槽206與支撐盤207之間部分連通時，托盤槽206具有底面，但是其底面上具有與支撐盤207相連通的孔，這樣，借助“相連通的孔”可以實現小托盤203與滑動機構的連接，並且小托盤203可以由托盤槽206的底面和/或由支撐盤207通過滑動機構來進行支撐，當小托盤203僅由托盤槽206的底面進行支撐時，滑動機構與小托盤203之間的摩擦力較小，能夠更加有效地提供滑動作用以驅動小托盤203自轉。
其中，所述滑動機構可以包括滑動梢204和第 一滑動凹槽205，所述第一滑動凹槽205形成於支撐盤207的上表面，滑動梢204的上端與所述小托盤203上的除中心位置之外的第一位置固定連接，所述滑動梢204的下端滑動連接至所述第一滑動凹槽205，並且能夠沿所述第一滑動凹槽205進行運動；為了保證小托盤203連續旋轉，所述第一滑動凹槽205的起點和終點重合而呈閉合形式；並且所述第一滑動凹槽205上的任意一點與第一軌跡31之間的距離小於或等於所述第一位置與小托盤203的中心之間的距離，且所述第一滑動凹槽205上至少存在一個這樣的點：即，其與第一軌跡31之間的距離小於所述第一位置與小托盤203的中心之間的距離；其中，所述第一軌跡31是指小托盤203進行公轉時，其中心點所形成的運動軌跡，該運動軌跡是以反應腔室的中心為圓心的圓；第一滑動凹槽205上的任意一點與第一軌跡31之間的距離，是指該點與第一軌跡31之間的最短距離。由於小托盤203上的第一位置和小托盤203的中心之間的距離固定，因此，第一滑動凹槽205需要設置成其上的任意一點與第一軌跡31之間的距離不能超過第一位置和小托盤203的中心之間的距離，否則將使小托盤203的運動受阻或中止。
在上述設置中，一方面，由於小托盤203被限定在大托盤201的托盤槽206內，因此在大托盤201旋轉的過程中，小托盤203的中心始終圍繞反應腔室的中心做圓周運動，即大托盤201的旋轉帶動小托盤203進行公轉；另一方面，在將第一滑動凹槽205設置為除了以反應腔室中心為圓心的圓之外的其他形狀的情況下，當滑動梢204 沿第一滑動凹槽205運動時，可以帶動滑動梢204上方的小托盤203進行運動，使得小托盤203在隨同大托盤201進行公轉時，其上的第一位置並非是圍繞反應腔室的中心做圓周運動，即，使小托盤203在進行公轉的同時還在滑動梢204的帶動下進行自轉。通過對第一滑動凹槽205的形狀進行設定，可以控制小托盤203的自轉。
可以通過多種方式對第一滑動凹槽205的形狀進行設定。第一種方法是，預先設定大托盤201圍繞其圓心的旋轉速度V1(即，單位時間內大托盤201圍繞其圓心旋轉了多少圈，也可簡稱為轉速n1)、預先設定小托盤203圍繞其圓心的旋轉速度V2(即，單位時間內小托盤203圍繞其圓心自轉了多少圈，也可簡稱為轉速n2)，並根據預先確定的V1和V2，確定第一滑動凹槽205的形狀。具體的，可以根據V1、V2、大托盤201的中心和小托盤203的中心之間的距離、以及第一位置與小托盤203的中心之間的距離D1，來確定第一滑動凹槽205的形狀。較佳的，將V2設置為V1的整數倍，因此在小托盤203的中心隨著大托盤201旋轉一周回到原位時，小托盤203上設置的滑動梢204也回到原位，從而繼續沿第一滑動凹槽205進行運動。或者，也可以將V1設置為V2的整數倍，例如，V1設置為V2的3倍，這樣，在大托盤201旋轉三周時，小托盤203上設置的滑動梢204也將回到原位。
在上述設置方式中，以大托盤201的中心為原點設立平面坐標軸，設定小托盤203以速度V1進行公轉，其圓心起始位置為(R1，0)，其中R1是小托盤203的中心 和大托盤201的中心之間的距離，則小托盤203的中心的座標(X0，Y0)隨時間t的運算式為：X0=R1×cos(2×pi×V1×t)；Y0=R1×sin(2×pi×V1×t)，其中pi為圓周率。在小托盤203以速度V2進行自轉的情況下，可以在小托盤203中心位置的基礎上得到其上第一位置的座標(X1，Y1)隨時間t的運算式為：X1=X0+D1×cos(2×pi×V2×t) 公式1
Y1=Y0+D1×sin(2×pi×V2×t) 公式2
根據上述公式可以確定第一位置的軌跡，即，確定第一滑動凹槽205的形狀。
下面通過具體的示例，對如何設置第一滑動凹槽205的形狀進行說明。
請參閱圖3A，為本發明實施例提供的托盤裝置中的第一滑動凹槽205的第一種設置示意圖。在這個例子中，設定V2=0，即小托盤203不發生自轉，此時，雖然小托盤203隨著大托盤201產生了轉動，但小托盤203上的滑動梢204相對於小托盤203的中心的方位始終不變。這樣，上述公式1和公式2可以簡化為：X1=X0+D1； 公式3
Y1=Y0； 公式4
從上述公式3和公式4可以得出，由於小托盤203的中心(X0，Y0)的軌跡(即，第一軌跡31)為圓，因此，小托盤203上的第一位置(X1，Y1)的軌跡即第一滑動凹槽205也是圓，並且第一滑動凹槽205的圓心和第一軌跡31的圓心之間的距離為D1。例如，第一滑動凹槽205的形狀 可以表示為：(x-D1)2+y2=R12。本實施例中，以第一滑動凹槽205的中心位於座標(D1，0)為例進行說明，第一滑動凹槽205的中心也可以是與第一軌跡31的圓心之間的距離為D1的任意一點。
對第一滑動凹槽205的形狀進行設置，使得當大托盤201以V1的旋轉速度進行旋轉時，小托盤203隨同大托盤201以V1的速度進行公轉，同時，與小托盤203相連接的滑動梢204會隨小托盤203的移動而發生移動，這樣，滑動梢204受到來自第一滑動凹槽205的側壁的作用力而沿第一滑動凹槽205進行運動，由於第一滑動凹槽205上的各點距離反應腔室中心的距離不同，因此，在第一滑動凹槽205內運動的滑動梢204與反應腔室中心之間的距離也在變化，這樣，滑動梢204在第一滑動凹槽205中的移動將帶動小托盤203以預設速度進行自轉或者不發生自轉。
在根據上述公式不能直接得到圖形的情況下，可以用諸如matlab之類的仿真工具，設定t的步長，從而得到(X1，Y1)關於t的曲線形狀。
第二種方法是，根據預先設定的大托盤201和小托盤203的旋轉圈數的關係，設置第一滑動凹槽205的形狀，例如，可以預先設定大托盤201旋轉1圈時，小托盤203自轉的圈數，根據在大托盤201旋轉1圈時小托盤203自轉的圈數，設定多個小托盤203的運動經過點，並使用諸如圓弧之類的曲線將這多個運動經過點連接起來，從而確定第一滑動凹槽205的形狀。
下面通過具體的示例，對第一滑動凹槽205的設置進行說明。請參閱圖3B，為本發明實施例提供的托盤裝置中的第一滑動凹槽205的第二種設置示意圖。在這個例子中，設定大托盤201旋轉1圈時，小托盤203自轉的圈數為2，小托盤203中心的起始位置為(R1，0)，在小托盤203公轉pi/4的整數倍時，小托盤203的中心分別經過如圖3B中空心方框所示的位置，其座標分別為(R1，0)， ，(0，R1)， ，(-R1，0)，，(0，-R1)， ，與各個空心方框所示的位置分別對應的， 小托盤203上第一位置分別運動經過圖3B中P1-P8這8個點所示的位置，P1-P8這8個點的座標分別為(R1+D1，0)， ，(-D1，R1)， (-R1+D1，0)，，(-D1，-R1)， ，其中，以P2為例，當小托盤203公轉 至pi/4的位置時，小托盤203上第一位置位於其圓心的正上方，如圖3B所示。因此，通過小托盤203中心的位置，可以得到P1的位置，設定P1-P8這8個點作為運動經過點，並使用例如圓弧之類的曲線將這多個運動經過點連接起來，最後得到的閉合曲線即為第一滑動凹槽205的形狀。 可以通過例如visio，CAD之類的畫圖工具獲得經過上述運動經過點的曲線，也可以使用諸如matlab之類的仿真工具通過曲線擬合的方式得到經過上述運動經過點的曲線。下面給出一個曲線擬合方式給出的結果，請一併參考下列運算式和圖3B中虛線所示的曲線，其中，第一滑動凹槽205可以由三段圓弧組成，其運算式分別為：(x-a)2+y2=S12，當(x,y)位於[-/3,/3]時；(x+b1)2+(y+b2)2=S22，當(x,y)位於[/3,]時；(x+b1)2+(y-b2)2=S22，當(x,y)位於[,5/3]時。
其中，a、b1、b2、S1、S2為擬合所得的參數，在此不再贅述。
可以理解，在實際應用中，當根據大托盤201公轉圈數和小托盤203自轉圈數之間的關係來設定第一滑動凹槽205的形狀時，小托盤203上的第一位置的運動經過點的設置數量可以不局限於前述8個，其也可以設置為其他數量；進一步地，也可以根據小托盤203上的其他位置的運動經過點來設定第一滑動凹槽205的形狀。另外，在實際應用中，基於上述設定的8個運動經過點，也不限於得到上述由3段圓弧組成的第一滑動凹槽205。另外，根據多個運動經過點來擬合確定第一滑動凹槽205的閉合曲線時，經過曲線擬合和曲線修正之後，最終所得到的閉合曲線可以是僅通過部分的運動經過點，即，實際得到的閉合曲線可以與部分運動經過點不重合。另外，也可以通過相鄰的運動經過點來確定一段圓弧，並將多條圓弧連接起 來而形成第一滑動凹槽205的形狀。
請參閱圖3C，為本發明實施例提供的托盤裝置中的第一滑動凹槽205的第三種設置示意圖。在該實施例中，設定大托盤201旋轉1圈時，小托盤203反方向自轉3圈，基於與圖3A或圖3B的示例中相同或者相似的原理及設置方法，可以得到如圖3C所示的第一滑動凹槽205的形狀。
請參閱圖3D，為本發明實施例提供的托盤裝置中的第一滑動凹槽205的第四種設置示意圖。在該實施例中，設定V2=1/3×V1，即大托盤201旋轉3圈時，小托盤203同方向自轉1圈。同樣基於與圖3A或圖3B的示例中相同或者相似的原理及設置方法，可以得到如圖3D所示的第一滑動凹槽205的形狀。
在上述圖3A至圖3D的示例中，小托盤203自轉的速度可以是恒定的，也可以是不恒定的。例如，當第一滑動凹槽205採用圖3A示例所確定的形狀時，小托盤203自轉的速度則是恒定的。也就是說，採用運動經過點來確定第一滑動凹槽205的形狀時，小托盤203自轉的速度不一定是恒定的，但是，大托盤201的運動圈數和小托盤203的運動圈數之間的關係是固定的。
需要指出的是，儘管在上述示例中，小托盤203與大托盤201的運動速度之間的關係是固定的(或者，大托盤201的運動圈數和小托盤203的運動圈數之間的關係是固定的)，但是在實際應用中，上述速度之間的關係或者運動圈數之間的關係也可以不是固定的。例如，請參閱圖3E， 為本發明實施例提供的托盤裝置中的第一滑動凹槽205的第五種設置示意圖。在該實施例中，設定自轉速度為V2是可變的，其中V2在第一位置位於4個不同的區段時的取值情況如下：當第一位置位於[0,/2]時，V2=1/3×V1；當第一位置位於[/2,]時，V2=0；當第一位置位於[,3/2]時，V2=2×V1；當第一位置位於[3/2,2]時，V2=-7/3×V1。
通過上述V1和V2的關係，可以設定相應的第一滑動凹槽205的形狀，具體設置過程類似於前述實施例，在此不再贅述。
進一步需要指出的是，本發明實施例中，小托盤203的數目可以為N個，大托盤201上相應地設置有N個托盤槽206，並且N個托盤槽206分別與N個小托盤203一一對應，其中，N為大於1的正整數。此外，小托盤203上的滑動梢204的數目可以為M+1個，且第一滑動凹槽205的數目為M+1個，並且M+1個第一滑動凹槽205與M+1個滑動梢204分別一一對應；或者，當小托盤203上的滑動梢204的數目為M個時，可以通過設置這M個滑動梢204的位置，使得M個滑動梢204共同對應於1個第一滑動凹槽205，其中，M為大於等於1的正整數。較佳的，可以將每個小托盤203上的滑動梢的數目設置為2個至4個，這樣，小托盤203的旋轉將會更加穩定，並且第一滑動凹槽205等的結構也不會很複雜。更佳的，小托盤203和滑動梢204也可以是一體成型的。
下面給出一個小托盤203上的滑動梢204的數目為2時的具體示例。請參閱圖4，為本發明實施例提供的托盤裝置中的另一種第一滑動凹槽205的設置示意圖。在該實施例中，在小托盤203上的第一位置和第二位置分別對應地固定連接有一個滑動梢204，第一位置和第二位置相對於小托盤203的中心對稱，並且與小托盤203的中心之間的距離均為D1，與上述兩個滑動梢204分別對應地設置有兩個第一滑動凹槽205。當設定大托盤201的旋轉速度為V1時，設定小托盤203的自轉速度V2=-V1。以第一軌跡31的中心設立平面坐標軸，則第一軌跡31可用如下運算式進行表示：x2+y2=R12，其中，R1是小托盤203的中心與反應腔室的中心之間的距離，那麼，兩個第一滑動凹槽205的運算式分別為(x-D1)2+y2=R12和(x+D1)2+y2=R12。
通過上述方法設置的第一滑動凹槽205，當大托盤201以V1的旋轉速度進行旋轉時，小托盤203在滑動機構的作用力下，會隨大托盤201以V1的速度進行公轉，同時，以V2的速度進行自轉。
本發明實施例中，較佳的第一滑動凹槽205的側壁是光滑的，即第一滑動凹槽205的槽內的壁面是光滑的、不存在突變的奇點，從而使得滑動凹槽205對滑動梢204的作用力比較穩定，不會對小托盤203沿第一滑動凹槽205的運動產生阻礙，使得小托盤203的運動更加流暢和穩定。
請參閱圖5，為本發明實施例提供的托盤裝置中的另一種滑動機構的結構示意圖。該滑動機構可以包括 滑動凸台211和第二滑動凹槽212。其中第二滑動凹槽212形成於小托盤203的下表面，滑動凸台211設置在支撐盤207的上表面，滑動凸台211嵌合至第二滑動凹槽212之內，當小托盤203隨大托盤201的運動而運動時，第二滑動凹槽212能夠沿滑動凸台211進行運動。通過設計滑動凸台211的形狀，可使得在大托盤201帶動小托盤203公轉的過程中，通過相互配合的第二滑動凹槽212和滑動凸台211之間的作用力，使得小托盤203進行自轉。其中，基於與上述示例中相同或者相似的原理及方法，可以對滑動凸台211和第二滑動凹槽212的形狀進行確定。例如，將第二滑動凹槽212設置為與小托盤203邊緣相交的一段圓弧，滑動凸台211為分佈在支撐盤207上的多個圓柱狀凸起，並且滑動凸台211能夠從第二滑動凹槽212中滑動通過，通過滑動凸台211和第二滑動凹槽212之間的相互作用力使得小托盤203產生自轉。第二滑動凹槽212也可以設置為其他的形狀，當然，也可以根據第二滑動凹槽212的形狀來設置滑動凸台211的分佈位置。另外，大托盤201的下表面應當高於滑動凸台211的高度，以確保滑動凸台211不會對大托盤201的旋轉造成影響。其中，滑動凸台211與支撐盤207可以一體成形。
請參閱圖6，為本發明實施例提供的另一種反應腔室的結構示意圖，該反應腔室包括腔體210以及位於腔體210之內且沿垂直方向逐層排列的多層托盤裝置。其中，多層托盤裝置中的一層或者全部可以採用本發明前述實施例提供的任一種托盤裝置。當多層托盤裝置中的全部 托盤裝置均採用本發明前述實施例提供的托盤裝置時，所述多個托盤裝置中的大托盤201和支撐盤207的中心重疊，並且所述多個托盤裝置共用一個旋轉軸202，所述旋轉軸202沿所述反應腔室的軸向方向穿過每一個大托盤201和支撐盤207的中心，並與每一個大托盤201固定連接，以在旋轉軸202的帶動下驅動各層托盤裝置中的大托盤201進行公轉。此外，各層托盤裝置也可以連接至同一個中央進氣管(圖中未示出)，並由該中央進氣管為各層托盤裝置中加工的工件輸運氣體。
本發明實施例中，大托盤201上放置的小托盤203的個數可以是一個或者多個。
本發明實施例中提供的反應腔室可以採用多種加熱方式。當採用感應式加熱方式時，小托盤203的自轉可以使得小托盤203上的待加工工件交替通過磁場中的磁力線稀疏區域和磁力線密集區域，從而改善工件的溫度均勻性。此外，也可以採用熱傳遞方式和多區控溫均勻加熱等技術，並且將熱輻射源放置於支撐盤207的下方。
本發明實施例中提供的反應腔室可以採用多種進氣系統供氣，例如，可以採用中央進氣系統，也可以採用噴淋頭進氣系統等。工藝過程中，反應腔室內部的氣體濃度通常會沿腔室的徑向方向而逐漸降低，當採用本發明實施例提供的反應腔室時，借助於小托盤203公轉和自轉相結合的旋轉方式，使得小托盤203所承載的工件在反應腔室中的位置不再是沿反應腔室的徑向而固定不動，這樣，對於工件上的不同位置來說，因氣體濃度基本一致而 使得反應產物也能夠基本保持一致，從而改善了工件上的磊晶薄膜的均勻性。
作為本發明的另一個技術方案，本發明實施例還提供了一種MOCVD設備，該MOCVD設備包括本發明實施例提供的任意一種反應腔室。
本發明實施例提供的托盤裝置中，通過大托盤201、小托盤203以及支撐盤207的三層托盤機構，在大托盤201帶動小托盤203公轉的同時，利用在小托盤203和支撐盤207之間設置的滑動機構所產生的作用力，使得小托盤203進行自轉，從而通過小托盤203的自轉改善磊晶生長的溫度均勻性、氣體濃度均勻性、以及反應場分佈的均勻性；並且，相對於現有技術中通過複雜的氣路結構實現公轉和自轉相結合的複合旋轉機構，本發明實施例提供的托盤裝置中的複合旋轉機構的結構更加簡潔，加工和安裝過程也更加簡單、維護和使用都較為方便。
同樣地，由於本發明實施例提供的反應腔室和MOCVD設備中均設置有本發明提供的上述托盤裝置，因此，該反應腔室和MOCVD設備同樣具有上述特點，即，結構更加簡潔，加工和安裝過程也更加簡單、維護和使用都較為方便。
以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不局限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。
201‧‧‧大托盤
202‧‧‧旋轉軸
203‧‧‧小托盤
204‧‧‧滑動梢
205‧‧‧第一滑動凹槽
206‧‧‧托盤槽
207‧‧‧支撐盤
210‧‧‧腔體

Claims (17)

  1. 一種托盤裝置，其包括大托盤、旋轉軸、小托盤以及支撐盤；其中旋轉軸與大托盤的中心相連接並帶動大托盤以旋轉軸為中心進行旋轉；大托盤上設置有用於放置小托盤的托盤槽；支撐盤位於大托盤的下方，且支撐盤和小托盤之間設置有滑動機構，使得小托盤在隨著大托盤進行公轉的同時，可在滑動機構的作用下進行自轉。
  2. 如請求項1所述之托盤裝置，所述滑動機構包括第一滑動凹槽和滑動梢，該第一滑動凹槽形成於支撐盤的上表面，該滑動梢的上端與小托盤上的除中心位置之外的第一位置固定連接，該滑動梢的下端滑動連接至所述第一滑動凹槽，並且滑動梢能夠沿所述第一滑動凹槽進行運動；其中第一滑動凹槽是閉合的，且第一滑動凹槽上的任意一點與第一軌跡之間的距離小於或等於所述第一位置與小托盤的中心之間的距離，且第一滑動凹槽上至少存在一點，該點與第一軌跡之間的距離小於所述第一位置與小托盤的中心之間的距離；其中第一軌跡是指小托盤進行公轉時其中心點所形成的運動軌跡。
  3. 如請求項1所述之托盤裝置，所述滑動機構包括第二滑動凹槽和滑動凸台，該滑動凸台形成於支撐盤的上表面，該第二滑動凹槽形成於小托盤的底部，該滑動凸台的上端與第二滑動凹槽滑動連接，以使得小托盤在隨大托盤一起運動時，滑動凸台能夠沿第二滑動凹槽運動，以帶動 小托盤進行自轉。
  4. 如請求項2所述之托盤裝置，所述第一滑動凹槽的形狀為第一位置的運動軌跡，所述第一位置的座標(X1,Y1)關於時間t的運算式為：X1=R1×cos(2×pi×V1×t)+D1×cos(2×pi×V2×t)；Y1=R1×sin(2×pi×V1×t)+D1×sin(2×pi×V2×t)；其中，設置大托盤的中心為座標原點，R1為小托盤的中心和大托盤的中心之間的距離，D1為第一位置與小托盤的中心之間的距離，V1為大托盤的旋轉速度，V2為小托盤的自轉速度；並且，V2為V1的整數倍，或V1為V2的整數倍。
  5. 如請求項2所述之托盤裝置，所述第一滑動凹槽為圓形，圓形的半徑等於所述小托盤的中心與反應腔室中心之間的距離，且圓形的圓心與第一軌跡的中心之間的距離等於第一位置與小托盤的中心之間的距離。
  6. 如請求項2所述之托盤裝置，所述第一滑動凹槽由多個圓弧組成。
  7. 如請求項6所述之托盤裝置，所述各個圓弧的直徑是根據預先設定的運動經過點而設置的，其中，運動經過點是根據大托盤和小托盤的旋轉圈數之間的關係而確定的。
  8. 如請求項6所述之托盤裝置，所述第一滑動凹槽的側壁是光滑的。
  9. 如請求項2所述之托盤裝置，所述滑動梢與小托盤係一體成形。
  10. 如請求項3所述之托盤裝置，所述滑動凸台與支撐盤係一體成形。
  11. 如請求項1至10任一項所述之托盤裝置，所述小托盤的數目為N個，大托盤上設置有N個托盤槽，該N個托盤槽分別與N個小托盤相對應，其中，N為大於1的正整數。
  12. 如請求項2、4至9任一項所述之托盤裝置，所述滑動梢的數目為M+1個，且第一滑動凹槽的數目為M+1個，M+1個第一滑動凹槽與M+1個滑動梢分別相對應；或者滑動梢的數目為M個，且第一滑動凹槽的數目為1個，M個滑動梢對應1個第一滑動凹槽；其中，M為大於等於1的正整數。
  13. 如請求項12所述之托盤裝置，M為小於5的正整數。
  14. 一種反應腔室，包括腔體，所述腔體內設置有如請求項1至13任一項所述之托盤裝置。
  15. 如請求項14所述之反應腔室，所述托盤裝置的數量為複數個，該等托盤裝置沿反應腔室的軸向方向間隔一定距離地逐層排列。
  16. 如請求項15所述之反應腔室，所述複數個托盤裝置中的大托盤和支撐盤的中心重疊，並且複數個托盤裝置共用一個旋轉軸，該旋轉軸沿反應腔室的軸向方向穿過每一個大托盤和支撐盤的中心，並與每一個大托盤固定連接。
  17. 一種金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)設備，其包括如請求項14至16任一項所述的反應腔室。
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