CN103668115A - 腔壁温度可由生长程序实时设置的气相外延反应管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腔壁温度可由生长程序实时设置的气相外延反应管，包括反应室和控制***，在反应室内的MOCVD加热器的上面安装有石墨衬底基座和外延衬底，在外延衬底的上方安装有MOCVD喷头，特征是：在反应室内壁的顶部、底部和四周侧壁上设有循环介质通道，左侧壁上的反应室循环介质入口将循环介质通道和恒温机的恒温机循环介质出口连接在一起，右侧壁上的反应室循环介质出口将循环介质通道和恒温机的恒温机循环介质入口连接在一起，使得循环介质在反应室的循环介质通道和恒温机之间循环流通。总之，本发明具有通过对腔壁的实时在线变温、加速腔壁杂质气体的脱附、改善外延材料的质量、降低生长成本提高外延工艺的可控性、节能等优点。

Description

腔壁温度可由生长程序实时设置的气相外延反应管

技术领域

本发明涉及半导体材料制造设备，尤其涉及一种腔壁温度可由生长程序实时设置的气相外延反应管。

背景技术：

当前，全世界正兴起规模宏大的节能减排运动，半导体照明（即发光二极管，LED）是其中一种有效措施，但是，若要走进中国的千家万户，还要大大降低成本，并继续提高电光转换效率。当前金属有机化学气相沉积设备（MOCVD）的生产厂家只有德国的AIXTRON、美国的VEECO和英国Thomasswan公司（简称TS）三家。目前，这三家生产的三种MOVCD的反应管的腔壁温度都是恒定的，无法在生长过程中，由外延生长程序实时设定与控制。而经过申请人研究，腔壁温度的实时控制对掺杂、界面陡峭、外延片的波长均匀性、MOCVD本身节能等均有益处，通过实时控制腔壁温度，可生产电光转换效率更高的LED。

LED的外延层是由几十层外延材料组成，每层的生长温度、成份组成、掺杂种类可能都不一样。一般都希望这些层的材料成份严格受控，但在LED外延层生长过程中，前一层的生长原料及掺杂物质会吸附在腔壁中，并一直慢慢释放，从而影响材料生长质量，最后影响LED的电光转换效率。目前，英国Thomasswan公司的腔壁温度是由冷却水的温度来恒定设置的，一般设置在50-60℃，一旦设定，生长过程中便不再更改，更不能由生长程度控制。其它两家的MOCVD设备也是如此。

当反应管开炉装片或取片时，空气中的氧及水也会吸附到反应管壁，这些外来气体对外延材料的质量控制均有影响，也影响生产的稳定性。为减少装、取片时的外来气体的影响，一般要将反应管置于氮气环境（手套箱）中或全部由机械手操作，这些装置的成本也很高，且操作极不方便。尽管使用这些措施可减少外来气体的影响，但维修时，反应管还是要暴露在大气中，往往维修后，反应管要长好几炉才能恢复，有时刚刚正常，又要拆开反应管，这样循环往复，维持外延生产非常痛苦，也造成极大的浪费。

要在生长过程中及时清除上一层（或上几层，甚至是前几炉）吸附在腔壁的杂质气体，就要让反应管的腔壁能加热并在线由生长程度控制腔壁的温度，通过加温让杂质脱附，但在关键层生长时，又要能降低腔壁温度，从而及时减少甚至结束杂质从腔壁的脱附。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种腔壁温度可由生长程序实时设置的气相外延反应管，这种气相外延反应管通过对腔壁的实时在线变温，加速腔壁杂质气体的脱附，控制腔壁吸附的杂质气体对外延层材料的影响，从而改善外延衬底的质量，提高电光转换效率和外延生长设备的可控性，降低生长成本。

本发明的目的是这样实现的：

一种腔壁温度可由生长程序实时设置的气相外延反应管，包括反应室和控制***，在反应室内安装有MOCVD加热器，在MOCVD加热器的上面依次从下至上安装有石墨衬底基座和外延衬底，MOCVD加热器对石墨基座进行加热控温，石墨基座对外延衬底进行加热，在反应室内、外延衬底的上方安装有正对外延衬底且与外延衬底间隔放置的MOCVD喷头，在反应室的顶板中间设有一个进气孔，在反应室的底板两边各设有一个排气孔，特征是：在反应室内壁的顶部、底部和四周侧壁上设有封闭的循环介质通道，在反应室的左侧壁和右侧壁上分别设有反应室循环介质入口和反应室循环介质出口，反应室循环介质入口将循环介质通道和恒温机的恒温机循环介质出口连接在一起，反应室循环介质出口将循环介质通道和恒温机的恒温机循环介质入口连接在一起，使得循环介质在反应室的循环介质通道和恒温机之间循环流通；反应室和恒温机受控制***控制。

循环介质为导热油、水或液态钠中的一种，循环介质的温度在20-600℃。导热油的温度为20-350℃，液态钠的温度为100-600℃。

本发明由于在反应室内壁的顶部、四周侧壁上设有封闭的循环介质通道，并与恒温机连通，循环介质就可以在反应室的循环介质通道和恒温机之间循环流通.循环介质除维持腔壁温度外，还起到冷却反应室的作用。反应室在控制***的控制下保持反应室内的MOCVD加热器的加热温度，恒温机在控制***的控制下保持恒温机中的循环介质的温度。

工作过程如下：当外延衬底放入反应室后，整个温度的控制程序如下：反应室内的温度升到中等温度后（如400℃），恒温机设到较高温（如150℃），对反应室进行低压除气，此时一方面用高纯气进行变压力冲洗，另一方面，高温可促使腔壁上的杂质气体脱附。这些杂质气体可以是上一炉的残留气体，也可以是打开反应室后吸附在腔壁上的氧及水气。

随后，反应室升温到更高温度进行外延生长，在开始外延层生长前，最好先降低腔壁的温度以减少脱附的杂质气体的影响。总之，当某层外延层对杂质不敏感或人为暂停材料生长时，恒温机就可升温除气，反之，就要将恒温机降下来，以减少杂质脱附。

在AlGaInN 材料体系中，通常Si作为n型杂质，Mg作为P型杂质。在此材料的生长过程中，量子阱的界面陡峭控制、Mg的掺杂、AlGaN的生长，都可使用变腔壁温度这一措施，现已证明这有利于高质量的材料生长。

腔壁温度的适当提高，还可减少外延衬底和腔壁间的温差（例如，生长蓝光量子阱时的衬底温度一般为720℃，与腔壁是有温差的），从而可减少生长气体的湍流及由于位置偏差导致的外延衬底的温度不均，因而可提高外延衬底的温度均匀性（通常要求控制在±1℃内），进而改善外延衬底的发光波长的均匀性（温度均匀性及湍流决定发光波长的均匀性）。

当打开反应室进行维护后，可使反应室升到合适温度（如400度）及冷却此反应室的恒温机升到较高温度（如200度）来对腔壁进行真空除气或变压力除气，这样可使反应管很快干净，快速投入正常生产。

腔壁温度的提高还有利于节能，反应室内的放置外延衬底的石墨基座温度可达1100℃，减少腔壁与石墨基座的温差，既可节能还可延长MOCVD加热器的寿命。

总之，本发明具有通过对腔壁的实时在线变温、加速腔壁杂质气体的脱附、控制腔壁吸附的杂质气体对外延层材料的影响从而改善外延材料的质量、提高电光转换效率、提高外延生长设备的可控性、降低生长成本、减少设备维修后的恢复时间、提高外延工艺的可控性、节能、延长MOCVD加热器寿命等一系列优点。

附图说明：

图1是本发明的框图； 

图2是反应室的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合实施例并对照附图对本发明的方法进行进一步的说明。

一种腔壁温度可由生长程序实时设置的气相外延反应管，包括反应室1和控制***2，在反应室内安装有MOCVD加热器4，在MOCVD加热器4的上面依次从下至上安装有石墨衬底基座5和外延衬底6，MOCVD加热器4对石墨基座5进行加热控温，石墨基座5对外延衬底6进行加热，在反应室1内、外延衬底6的上方安装有正对外延衬底6且与外延衬底6间隔放置的MOCVD喷头8，在反应室1的顶板9中间设有一个进气孔10，在反应室1的底板11两边各设有一个排气孔12，在反应室1内壁的顶部、底部和四周侧壁上设有封闭的循环介质通道13，在反应室1的左侧壁15和右侧壁16上分别设有反应室循环介质入口14和反应室循环介质出口7，反应室循环介质入口14将循环介质通道13和恒温机3的循环介质出口连接在一起，反应室循环介质出口7将循环介质通道13和恒温机3的循环介质入口连接在一起，使得循环介质在反应室1的循环介质通道13和恒温机3之间循环流通；反应室1和恒温机3受控制***2控制。

循环介质为导热油、水或液态钠中的一种，循环介质的温度在20-600℃。

导热油的温度为20-350℃。液态钠的温度为100--600℃。

反应气体从进气孔10进来后，经过MOCVD喷头8分散到外延衬底6的表面。外延衬底6放在石墨基座5上，石墨基座5下面的MOCVD加热器4对石墨基座5进行加热，从而维持必要的外延生长温度。循环介质除维持腔壁温度外，还起到冷却反应室1的作用。反应后的气体经排气孔12接到抽气***，从而可控制反应室1中的气压。

应当理解是，上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的非实质性的替换或修改的发明创造均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种腔壁温度可由生长程序实时设置的气相外延反应管，包括反应室和控制***，在反应室内安装有MOCVD加热器，在MOCVD加热器的上面依次从下至上安装有石墨衬底基座和外延衬底，MOCVD加热器对石墨基座进行加热控温，石墨基座对外延衬底进行加热，在反应室内、外延衬底的上方安装有正对外延衬底且与外延衬底间隔放置的MOCVD喷头，在反应室的顶板中间设有一个进气孔，在反应室的底板两边各设有一个排气孔，特征是：在反应室内壁的顶部、四周侧壁上设有封闭的循环介质通道，在反应室的左侧壁和右侧壁上分别设有反应室循环介质入口和反应室循环介质出口，反应室循环介质入口将循环介质通道和恒温机的恒温机循环介质出口连接在一起，反应室循环介质出口将循环介质通道和恒温机的恒温机循环介质入口连接在一起，使得循环介质在反应室的循环介质通道和恒温机之间循环流通；反应室和恒温机受控制***控制。

2.根据权利要求1所述的腔壁温度可由生长程序实时设置的气相外延反应管，其特征在于：循环介质为导热油、水或钠液体中的一种，循环介质的温度在20-600℃。

3.根据权利要求2所述的腔壁温度可由生长程序实时设置的气相外延反应管，其特征在于：导热油的温度为20-350℃，液态钠的温度为100--600℃。

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