CN104962878B - 双喷头mocvd反应室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属有机气象化学沉积反应室，所述反应室包括：腔体，所述腔体包括顶板、底板和侧壁，所述顶板底板和侧壁围成基本封闭的腔室；上进气喷淋头，设置于所述反应室腔室内的上部与气源连通；下进气喷淋头，设置于所述反应室腔室内的下部与气源连通；托盘组件，固定设置在所述反应腔体内的中部，所述托盘组件包括上基底托盘和下基底托盘，所述上基底托盘和下基底托盘相背对设置，所述上基底托盘与所述上进气喷淋头相对；所述下基底托盘与所述下进气喷淋头相对；加热器，位于上基底托盘和下基底托盘之间。通过这种反应室能够有效提高空间利用率、气体利用率及热能的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及化合物半导体薄膜沉积设备，特别涉及到制备氮化镓基半导体的有机金属化学气相沉积(MOCVD)设备的反应室结构。
背景技术
金属有机气象化学沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD)设备，用于化合物半导体氮化镓、砷化镓、磷化铟、氧化锌等功能结构材料的制备，尤其适合规模化工业生产，因此成为目前化合物半导体外延材料生产和研究的关键设备，是当前生产半导体光电器件和微波器件材料的主要手段，应用领域广泛。MOCVD生长是一种非平衡生长技术，利用带有金属原子的如烷基类有机源反应物(MO源)和氢化物(如NH3等)通过氮气或氢气载气携带到反应室内，在一定压力、温度条件下，在基底上沉积外延生成化合物半导体薄膜。
为了金属有机气象化学沉积设备的产能，现有技术中通常采用扩大基底托盘面积的方式来实现，然而随着基底托盘面积的增大，反应室的尺寸也越来越大，这增加了设备的成本和技术的复杂性。
发明内容
本发明正是基于现有技术的上述需求而提出的，本发明要解决的技术问题包括提供一种金属有机气象化学沉积设备，该设备能够提高金属有机气象化学沉积设备的产能和效率。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面提供了一种金属有机气象化学沉积反应室，所述反应室包括：腔体，所述腔体包括顶板、底板和侧壁，所述顶板底板和侧壁围成基本封闭的腔室；上进气喷淋头，设置于所述反应室腔室内的上部与气源连通；下进气喷淋头，设置于所述反应室腔室内的下部与气源连通；托盘组件，位于所述反应腔体内的中部，所述托盘组件包括上基底托盘和下基底托盘，所述上基底托盘和下基底托盘相背对设置，所述上基底托盘与所述上进气喷淋头相对；所述下基底托盘与所述下进气喷淋头相对；加热器，位于上基底托盘和下基底托盘之间。
优选地，所述上基底托盘的上表面和所述下基底托盘的下表面上形成有多个晶片承载槽。
优选地，所述上基底托盘和下基底托盘上下对称设置。
优选地，所述加热体包括电阻加热体，同一电阻加热体与所述上基底托盘和下基底托盘之间的距离相等。
优选地，所述反应室还包括晶片卡持装置，所述晶片卡持装置设置在所述下基底托盘上；所述晶片卡持装置包括位于所述晶片承载槽的开口内侧的柔性突出部，所述柔性突出部向所述晶片承载槽开口的中部突出预定的距离。
优选地，所述腔室的形状为圆筒形。
优选地，所述托盘组件还包括设置旋转装置，所述旋转装置与所述上基底托盘和下基底托盘驱动连接。
优选地，在反应室腔体侧壁分别设有独立的上尾气排气口和下尾气排气口，所述上尾气排气口与上基底托盘的侧部相对；所述下尾气排气口与所述下基底托盘相对。
优选地，所述上进气喷淋头和下进气喷淋头共用气源。
根据本发明的另一个方面提供了一种金属有机气象化学沉积反应室设备，包括一个或多个反应室，其中所述反应室中的至少一个采用如上述任一项所述的反应室。
本专利中一个反应腔室配备有两个喷头，产能效率比目前现有技术的单喷头反应室显著提高。在设备制造成本上，即同样产量的MOCVD设备，采用本技术设备制造成本大大降低。此外，在设备使用成本上，由于两个喷头共用一个腔体，气体总耗用量降低，两个基底托盘公用一个加热器，电能利用效率提高一倍，同时也保证加热的温度一致性。
附图说明
以下参考附图是对具体实施例的详细描述，将会更好地理解本发明的内容和特点，其中：
图1是本发明具体实施例中金属有机气象化学沉积设备的反应室结构示意图。
图2是本发明具体实施例中上进气喷淋头与上基底托盘的结构示意图。
图3是本发明具体实施例中下基底托盘局部结构示意图。
图4是本发明具体实施例中晶片卡持装置局部结构示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的实质，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。然而该具体实施方式仅仅是对本发明优选技术方案的举例，并不能理解为对本发明保护范围的限制。
图1是本发明具体实施方式的结构示意图，应理解，本公开的附图重点示出根据本发明的一个实施方式的构成特征，这些附图并不意在示出设备中的每一个单个部件。
图1示出了本发明具体实施例中的一种金属有机气象化学沉积反应室。其中，所述反应室包括：一反应室腔体10，所述反应室腔体用于提供反应的场所以及承载其它用于反应的部件。在所述腔体中进行金属有机气象化学沉积反应时，该腔体适于保持预先设定的温度和压力等反应所需要的环境条件。具体而言，所述反应室包括顶板、底板和侧壁，依靠所述顶板底板和侧壁围成基本封闭的腔室。优选地，该反应室腔体10为圆筒状；圆筒状的腔体便于封闭而且能够减小反应气体在腔体中产生的气流扰乱。
上进气喷淋头21，设置于所述反应室腔体内的上部。优选地，所述上进气喷淋头固定设置于所述反应室腔体的所述顶板上，所述上喷淋头与气源连通，所述气源提供金属有机气象化学沉积反应气体，例如MO源和氢化物NH3，在所述喷淋头内实现混气、匀气，以利于有效反应。
下进气喷淋头22，设置于所述反应室腔体内的下部，优选地，所述下进气喷淋头固定设置于所述反应室腔体的所述底板上，所述下喷淋头也与气源连通，实现对气源提供的金属有机气象化学沉积反应气体的混气、匀气。
优选地，两个喷淋头共用MOCVD***中的气体输运模块，在到达反应腔室前一分为二分别进入上进气喷淋头21和下进气喷淋头22。这样可保证气体压力流量等参数的一致性，有利于保证上下托盘上形成外延材料的一致性。
一托盘组件，固定设置在所述反应腔体内的中部，所述托盘组件包括上基底托盘31和下基底托盘32，所述上基底托盘和下基底托盘相对设置。所述上基底托盘31与所述上进气喷淋头相对，用于承载上喷淋头21喷射出来的气体反应而生成的晶片。所述下基底托盘32与所述下进气喷淋头相对，用于承载下喷淋头22喷射出来的气体反应而生成的晶片。
进气喷淋头21与上基底托盘31的结构位置如图2所示，气体从喷淋头进气管211进入喷淋头，经过喷淋头混气匀气后喷射到下方正对应的基底托盘31上，MO源和氢化物NH3在基底上反应沉积生成氮化物材料。同理，可以理解下进气喷淋头22与下基底托盘32的结构位置及工艺过程。
通过这种方式能够有效地利用现有的反应腔体内部空间。因为在两个方向上具有喷淋头和基底托盘，所以在同样的反应腔体空间内的产能效率比目前现有技术的反应室显著提高。此外由于多个喷淋头共用一个腔体，使得在所述腔体内气体总耗用量降低，能够节省材料。
优选地,如图2所示,所述上基底托盘和所述下基底托盘上形成有多个晶片承载槽,所述多个晶片承载槽均匀分布在所述上基底托盘和所述下基底托盘上。反应气体从喷淋头直接喷射到对应的基底托盘上后，在基底托盘的晶片承载槽中外延形成半导体材料。通过晶片承载槽的设计，能够有效地成型预定形状与尺寸的晶片，提高生产的质量。
优选地，所述托盘组件中的上基底托盘和下基底托盘呈上下对称设置，基于对称的设置可以使得托盘组件整体上能够更高地利用上方空间和下方空间。
上基底托盘31与下基底托盘32相背对，两个基底托盘分别设置在托盘支撑架311和312上。为了提高外延材料的均匀性，托盘支撑架上还可以设置旋转装置，所述旋转装置驱动所述上基底托盘和下基底托盘旋转，通过旋转的托盘设计能够有效提高外延材料的均匀性。
优选地，对于下基底托盘32，由于下基底托盘的晶片承载槽开口朝下，因此在下基底托盘32设有晶片卡持装置320，防止基底托盘中的晶片在重力作用下落。
如图3所示，一种晶片卡持装置包括，在所述下基底托盘的晶片承载槽的开口内侧设置有柔性的突出部，所述柔性突出部向所述晶片承载槽中部突出预定的距离。通过这种晶片卡持装置的设置，在晶片形成过程中，气体能够进入到所述晶片承载槽内以结晶成晶片，当晶片成型到预定的尺寸而停止喷淋气体后，所述突出部能够从下方承载所述晶片承载槽内的晶片使其不至从所述晶片承载槽内掉落。
进一步地，所述下基底托盘的晶片承载槽的下端设置有向内的斜倒角，所述晶片卡持装置32包括角部和延伸部，所述角部与所述斜倒角的形状相同，设置于斜倒角的外侧，以被所述斜倒角支撑固定，所述延伸部从所述角部向内延伸。进一步优选地，所述卡持装置为圆环状，与所述晶片承载槽的口沿处全部贴合。所述卡持装置32可选用耐高温的柔性材料，例如铼等。
通过上述结构能够简单有效地卡持晶片，避免了晶片的掉落。并有效降低成本。
进一步地，所述托盘组件还包括一加热器40，加热器40位于上基底托盘31和下基底托盘32之间。所述加热器同时对上基底托盘31和下基底托盘32加热。优选地，所述加热器与所述上基底托盘和所述下基底托盘的距离相等，以便所述上基底托盘和所述下基底托盘具有相同的温度环境。
现有技术MOCVD设备的反应腔室均为一个基底托盘对应一加热器，通常加热器只位于其一面的基底托盘加热，加热器另一个方向上的热量没有利用上，并且还需要配备隔热板以及冷却盘等部件，以阻止加热器对其下方其它部件的高温辐射热，因此热能的利用效率低。本发明实施例中同一个加热器可以同时加热上下两个基底托盘，提高热能利用率，降低成本，并且能够保证两个基底托盘的温度一致性，也无需设置隔热板以及冷却盘等部件。
如图1所示，所述加热器40可优选地设置在加热器支撑架401之上，并且通过密封电极与外部供电装置相连接。
所述加热器可以采用任何适于加热的方式来进行，例如采用电阻丝加热，采用微波加热如红外线加热等；可以通过气体介质对所述托盘组件加热也可以通过液体或固体介质的形式对所述托盘组件加热，还可以通过辐射的方式对托盘组件直接加热；均不脱离本专利的发明构思。
基于简化结构的考虑，本发明实施例中采用的加热器40为电阻丝加热方式。
进一步优选地，所述加热器还包括温度调节装置，根据预先设定的条件控制所述加热器的工作方式，所述预先设定的条件包括但不限于操作人员的操作，或者预先设定的自动感测到的事件。所述工作方式包括但不限于开启或停止所述加热器加热，或者增大或减小所述加热器的功率。
在晶片生成过程中，气场的稳定对于晶片的质量具有较大影响，在本实施例中，为了防止上下基底托盘流过的气体相互影响气场的稳定性，在反应室腔体10侧壁分别设有独立的反应室上尾气排气口51和下尾气排气口52。所述上尾气排气口与上基底托盘的侧部相对，导引流过上基底托盘上的气体；所述下尾气排气口与所述下基底托盘相对，导引流过所述下基底托盘上的气体。所述独立的反应室上尾气排气口和下尾气排气口是指所述上尾气排气口和下尾气排气口彼此间隔出预定的距离，单独设置。这样能够保证在托盘附近流过的气体的气流稳定性，从而提高晶片的生产质量。
目前现有技术中的单腔室MOCVD产量难于再显著扩大，效率比较低，而现有技术中的多腔室MOCVD***，产量大大提高了，但是每一个腔室需要相配套的加热、气路等，结构比较复杂，在降低成本上和原材料利用效率并不显著，并且由于不同的反应***，热场、气场、压力等多个反应室之间的一致性很难保证，影响不同反应室材料质量的一致性。本具体实施例中所采用的单反应腔室多喷淋头设计克服了以上缺点。
本发明涉及的一些其他工艺条件为常规技术工艺，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种金属有机气象化学沉积反应室，其特征在于，所述反应室包括：
腔体，所述腔体包括顶板、底板和侧壁，所述顶板底板和侧壁围成基本封闭的腔室；
上进气喷淋头，设置于所述反应室腔室内的上部与气源连通；
下进气喷淋头，设置于所述反应室腔室内的下部与气源连通；
所述上进气喷淋头和下进气喷淋头共用气源，在所述上进气喷淋头和所述下进气喷淋头内实现混气、匀气；
托盘组件，位于所述反应腔体内的中部；所述托盘组件包括上基底托盘和下基底托盘，所述上基底托盘和下基底托盘相背对上下对称设置，所述上基底托盘与所述上进气喷淋头相对；所述下基底托盘与所述下进气喷淋头相对；所述托盘组件还包括设置旋转装置，所述旋转装置与所述上基底托盘和下基底托盘驱动连接；
加热器，位于上基底托盘和下基底托盘之间，加热体与所述上基底托盘和下基底托盘之间的距离相等；
在反应室腔体侧壁分别设有相互独立的上尾气排气口和下尾气排气口，所述上尾气排气口与上基底托盘的侧部相对；所述下尾气排气口与所述下基底托盘相对。
2.根据权利要求1所述的一种金属有机气象化学沉积反应室，其特征在于，所述上基底托盘的上表面和所述下基底托盘的下表面上形成有多个晶片承载槽。
3.根据权利要求1所述的一种金属有机气象化学沉积反应室，其特征在于，所述加热体包括电阻加热体。
4.根据权利要求3所述的一种金属有机气象化学沉积反应室，其特征在于，所述反应室还包括晶片卡持装置，所述晶片卡持装置设置在所述下基底托盘上；所述晶片卡持装置包括位于所述晶片承载槽的开口内侧的柔性突出部，所述柔性突出部向所述晶片承载槽开口的中部突出预定的距离。
5.根据权利要求1所述的一种金属有机气象化学沉积反应室，其特征在于，所述腔室的形状为圆筒形。
6.一种金属有机气象化学沉积反应室设备，包括一个或多个反应室；其特征在于，所述反应室中的至少一个采用如权利要求1-5中任一项所述的反应室。
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