专利名称：超高立式反应器的氮化镓金属有机物化学气相淀积法设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电子和微电子技术，具体地说涉及氮化镓基金属有机物气相淀积法外延生长设备。
背景技术：
金属有机物化学气相淀积法Metal Organic Chemical VaporDeposition(简称MOCVD)是目前世界上最先进的电子薄膜材料制备方法。它是在1968年由美国洛克威尔公司提出来的制备化合物半导体薄片单晶的一项新技术，该技术是采用III族、II族元素的有机化合物和V族、VI元素的氢化物等作为生长源材料、以热分解反应在衬底上进行气相外延、生长III-V族，II-VI族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄膜。
经过上世纪七十年代到八十年代的发展，九十年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子材料外延片制备的核心生长技术。同时也是目前制备氮化镓基(GaN)光电子器件和电子器件外延片的主要方法。这一方法都依托MOCVD设备来实现，因此MOCVD设备已成为当前国际上半导体薄膜材料生长和制备的最理想的先进设备，该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备.
对于这种设备来说反应器是整个系统的关键部件之一。它对系统的外延生长质量和成本起着至关重要的作用。
就设备中的反应器来说一般根据反应器的结构可分为卧式和立式两种，参见图1、图2和图3。
由于立式反应器的生长均匀性和掺杂特性优于卧式反应器，目前GaN的材料生长的反应器普遍采用立式结构。
但目前所使用的立式反应器其内管的直径D和高度H的比值D/H一般都接近或大于1，如图2所示。
现有的立式反应器存在的的问题之一是，不适合生长高铝组份的氮化镓化合物材料。这主要是因为铝的熔解温度很低，且极易氧化，尤其是超低立式反应器，由于位于反应器天棚的气体喷口离加热体石墨块太近，尽管一般在天棚上面都设有水冷却装置，但仍然无法避免来自反应室内加热体的高温热辐射的影响，造成无法外延生长高铝组份的材料。使用证明一般的立式反应器至多可以生长20％Al组份的材料，因而所生长的材料铝组份受限。
问题之二是，反应器中的单个石墨基座通过机械的传动机构仅实现了石墨基座以一定的转度绕反应器中心旋转，由于在生长时外延片只有单一的旋转运动，造成了生长层呈现中间薄边上厚的锅底形状，使的外延生长的均匀性较差。
问题之三是，反应器的内管、外管和传动机构均固定在同一底板上。在装片和取片过程中，需打开反应器顶盖，才可进行装片和取。由于顶盖部位相关部件较多，打开和安装顶盖过程中，需拆装管路和连接件，很是麻烦，生产效率低。
如何解决上述技术问题，则是本发明所面临的设计课题。
发明内容
本发明提供了一种具有超高立式反应器的氮化镓金属有机物气相淀积法设备，它可以解决现有技术存在的生长的材料铝组份受限，晶片的外延生长的均匀性较差，装片和取片麻烦等问题。
为了达到解决上述技术问题的目的，本发明的技术方案是，一种具有超高立式反应器的氮化镓金属有机物气相淀积法设备，包括反应器，底板，进气管，石墨基座，传动机构，其特征在于所述反应器中的内管直径D和高度H的比值D/H在0.16-0.5之间。
在本发明中，还具有以下技术特征在下底板上固定有中心座，中心座上连接固定有内齿圈，反应器中包括3个石墨基座，每个石墨基座通过下面的陶瓷管与行星齿轮固定，行星齿轮与内齿圈啮合，传动机构中的传动主轴顶端固定有主轴盘，三个行星齿轮安装在主轴盘上的三个行星齿轮轴上。
在本发明中，还具有以下技术特征所述底板是由上底板和下底板组成，反应器的内、外管设置在上底板上；石墨基座以及传动机构设置在下底板上，在下底板下面上设有二个升降油/气缸，所述气缸的活塞杆顶端连接固定在上底板上；在下底板上面设置有气体接头座，在上底板下面设置气体插头，气体插头与上底板下面之间套有弹簧；在上底板下面和/或与上底板接触部件的结合面上设有若干条环形密封圈。
在本发明中，还具有以下技术特征反应器顶部设有红外测温仪。
在本发明中，还具有以下技术特征在三个石墨基座中央设有一个热电偶，它是经空心的传动主轴穿过置于三个石墨基座的中心。
在本发明中，还具有以下技术特征反应器中的内管采用透明的石英玻璃制成，外管采用有机玻璃制成。
本发明主要是这种金属有机物化学气相淀积法材料生长设备的研制、开发和生产，创新点在于D/H的比例关系，超高立式反应器的设计，主要广泛应用于生长多种III-V族化合物半导体材料，特别是适用于氮化镓基薄膜材料的生长，如异质结构和超晶格量子阱等超薄膜层结构材料以及宽禁带半导体材料的生长。这些材料主要应用于制造(1)光电器件激光器(LD)、发光二极管(LED)和光电探测器等，(2)电子器件微波功率器件(HFET)等。
经实验证明，本发明具有以下有益效果
1.内管直径与高度的比例D/H在0.16到0.5之间，内管的高度与现有技术相比大为提高，气体喷口离加热体石墨块的距离加长，可以避免来自反应室内加热体的高温热辐射的影响，因而可以外延生长高铝组份的材料，实验表明生长的Al组份的材料高达85％。
2.为了方便装片和取片，反应器设计成为上下两部分，分别设在上、下底板上，通过下底板的两个油/气缸可以将反应器上部顶起，从而方便地将晶片和石墨基座取出或装入。
3.石墨基座以一定的速度围绕反应器中心做自转和公转运动，由于自转和公转的组合运动，从而保证了基座上外延片生长的均匀性。
4.MO和NH3由反应器的顶部进入气体混合室，使在此瞬间混合后进入反应器，流经基座上外延片的气流由底部抽出。从而保证了在到达外延片前不会发生气相预反应，并且气流稳定，没有涡流产生。经实验证明，这种反应器在外延生长中，反应器的芯片以上部分基本没有气相预反应，非常干净，一般只需几个月清洗一次。
反应室采用透明的石英玻璃制成，在生长时可以随时观察芯片的外延生长情况。
与目前已有的几种国外生产的MOCVD SYSTEM的反应器相比，该反应器具有的最大特点是①.结构简单、实用性强，拆卸和清洗方便，造价低廉；②.尤其是作为易损件的石墨基座，结构简单，成本低，可以在每次生长后及时更换并清洗，可反复使用；从而避免了石墨基座上的上次生长的淀积物对二次生长的影响。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细地描述。
图1是现有技术卧式反应器的结构示意图；
图2是现有技术立式反应器的结构示意图；图3是现有技术超低卧式反应器的结构示意图；50.生长气体；60.外延生长晶片；70.感应加热圈；80.石墨基座；90.废气。
图4是本发明具有超高立式反应器的氮化镓金属有机物气相淀积法设备处于工作状态剖视图；图5是图4中的A-A局部剖视图；图6是本发明具有超高立式反应器的氮化镓金属有机物气相淀积法设备处于打开状态剖视图。
1-1.进气管；1-2.气体接头下座；1-3气体接头上座；；1-4.冷却水口；1-5.气体混合室；1-6.上管座；1-7.红外测温仪器；2-1.外延片；2-2.石墨基座；2-3.感应加热线圈；2-4.陶瓷管；2-5.外管；2-6.内管；2-7.下管座；2-8.热电偶；2-9.感应线圈连接电缆；2-10.感应线圈冷却水接口；2-11反应室；3-1.上底板；3-2.内齿圈；3-3.行星齿轮；3-4.中心座；3-5.主轴盘；3-6.行星齿轮轴；4-1.下底板；4-2.接主真空泵；4-3.接辅助真空泵；4-4.升降油/气缸；4-5.十字型的四通管接头；4-6.传动主轴；4-7.传动套；4-8.强力磁铁；4-9.磁力拨块；4-10.变频调速电机；皮带轮和皮带4-11。
具体实施例方式
参见图4、图5和图6，本发明超高立式反应器的氮化镓金属有机物气相淀积法设备主要由①顶部气室；②反应器，③反应器底座和④传动机构等四大部分组成。
下面分别详细说明。
①顶部气室主要包括气体混合室1-5；上管座1-6；顶部密封座和红外测温仪1-7等部分；
NH3和MO气体分别从进气管1-1、经气体接头下座1-2，气体接头上座1-3，进入顶部进入气体混合室1-5。气体混合室1-5的底部有许多的小孔，混合后的气体从这些小孔流向下面的反应室2-11；由于位于反应室2-11中央的石墨基座2-2在被加热时所产生的热辐射，会使气体混合室的温度升高，上管座1-6内设有水冷却室，其作用是降低气体混合室1-5的温度，防止NH3和MO两种气体在此混合后发生预反应；上管座1-6设有进水和出水两个接口1-4，分别与冷却系统的进水口和回水口相联。红外测温仪器1-7通过顶部的窗口可以直接测试外延片的温度。
②反应器是双层的，内管2-6是透明的石英玻璃制造的，外管2-5是用透明的有机玻璃制成，两端由上管座1-6和下管座2-7固定和密封，中间通有冷却水。上管座1-6和底部密封座2-7设有O型密封圈和进出水管，该进出水管分别与冷却系统的出水和回水管联接。反应室2-11内行星分布有三个石墨基座2-2，生长用的外延片2-1就放置在它们的上边。在三个石墨基座2-2中央设有一个热电偶2-8，它是经空心的传动主轴置于三个石墨基座2-2的中心的，从而测得石墨基座2-2加热时的温度。
内管直径与高度的比例D/H在0.16到0.5之间范围内，因而称为超高立式反应器，可以生长高达85％Al组份的氮化镓基材料。
③反应室底座部分整个反应室固定在反应室的上底板3-1上，该底板3-1与左右两端的升降油缸4-4的活塞杆连接，通过这两个油缸4-4的运动，实现了反应室的开启上升和闭合下降，其中感应加热线圈2-3是固定在该上底板3-1上的，并随反应室2-11上下一起运动。
油缸4-4缸套部分设置在下底板上4-1，石墨基座2-2以及传动机构设置在下底板上4-1。
在下底板4-1上面设置有气体接头下座1-2，在上底板3-1下面设置气体接头上座1-3，气体接头上座1-3与上底板3-1下面之间套有弹簧，在工作状态时，通过油缸4-4的液压力和弹簧的作用使气体接头上座1-3紧紧地压在气体接头下座1-2上。
在上底板3-1下表面和气体接头下座1-2上面均设有环形密封圈，以实现在工作状态的密封要求。
当需装片、取片时，使油缸4-4处于上升状态，油缸4-4内的活塞杆上升，将上底板3-1和其上的部件升起至图6所示的状态，石墨基座2-2外露，因而可以进行装片或取片工作。
工作状态时，油缸4-4处于图4的状态，活塞杆向下拉上底板3-1，以保证密封的要求。
由此可见，反应器通过设在上、下底板上的升降油缸4-4，可以方便的升降，便于装片、取片和维护维修。
④传动机构这部分由传动主轴4-6和传动套4-7、皮带轮、皮带4-11和电机4-10等组成，为了保证反应室的密闭性，传动主轴4-6与传动套4-7之间是隔离并封闭的。在传动主轴4-6上设有一个磁力拨快4-9，其上面装有强磁铁两块，而外传动套4-7上也对应装有两块强力磁铁4-8。当传动套4-7的转动时，通过磁力的作用带动传动主轴4-6转动，而传动套4-7的转动是通过皮带4-11传动，由变频调速电机4-10带动的。
在下底板4-1上固定有中心座3-4，中心座3-4上连接固定有内齿圈3-2，反应室中包括3个石墨基座2-2，每个石墨基座2-2分别安装3根陶瓷管2-4上，陶瓷管2-4下面装有行星齿轮3-3，行星齿轮3-3与内齿圈3-2啮合，传动主轴4-6顶端连接有主轴盘3-5，三个行星齿轮3-3装在主轴盘3-5的行星齿轮轴3-6上。
变频调速电机4-10转动，通过皮带轮和皮带4-11带动传动套4-7转动，强力磁铁4-8跟随转动，固定在传动主轴4-6上的磁力拨块4-9在强力磁铁4-8的作用下跟随转动，进而带动传动主轴4-6转动，因而主轴盘3-5转动，从而同时带动三个行星齿轮3-3和3个石墨基座2-2做公转，同时，3个石墨基座2-2下的行星齿轮3-3与内齿圈3-2啮合，通过内齿轮传动，实现墨基座2-2自转，从而保证石墨基座2-2上外延片生长的均匀性。
在三个石墨基座2-2中央设有一个热电偶2-8，它是经空心的传动主轴4-6置于三个石墨基座2-2的中心的，从而测得石墨基座2-2加热时的温度，作为控制加热温度的依据。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种超高立式反应器的氮化镓金属有机物化学气相淀积法设备，包括反应器，底板，进气管，石墨基座，传动机构，其特征在于所述反应器中的内管直径D和高度H的比值D/H在0.16-0.5之间。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述底板是由上底板和下底板组成，反应器的内、外管设置在上底板上；石墨基座以及传动机构设置在下底板上，在下底板下面上设有至少二个升降油/气缸，所述气缸的活塞杆顶端连接固定在上底板上；在下底板上面设置有气体接头下座，在上底板下面设置气体接头上座，气体上座与上底板下面之间套有弹簧；在上底板下面和/或与上底板接触部件的结合面上设有若干O型密封圈。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于在下底板上固定有中心座，中心板上连接固定有内齿圈，反应室中包括3个石墨基座，每个石墨基座下面装有陶瓷管和行星齿轮，行星齿轮与内齿圈啮合，传动机构中的传动主轴顶端固定有主轴盘，三个行星齿轮安装在主轴盘上的三个行星齿轮轴上。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于反应器顶部设有红外测温仪。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于在三个石墨基座中央设有一个热电偶，它是穿过空心的传动主轴置于三个石墨基座的中心。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于反应器中的内管采用透明的石英玻璃制成，外管采用有机玻璃制成。
全文摘要
本发明提供了一种超高立式反应器的氮化镓金属有机物化学气相淀积法设备，它可以解决现有技术存在的生长的材料高铝组份受限等问题。本发明的技术方案是，所述反应器中的内管直径D和高度H的比值D/H在0.16－0.5之间。由于内管的高度与现有技术相比大为提高，气体喷口离加热体石墨块的距离加长，可以避免来自反应室内加热体的高温热辐射的影响，因而可以外延生长高铝组份的氮化镓材料，实验表明生长的Al组份的材料高达85％。
文档编号C23C16/00GK101070611SQ200710013820
公开日2007年11月14日 申请日期2007年3月15日 优先权日2007年3月15日
发明者张国华 申请人:张国华