一种热壁金属有机物化学气相沉积设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热壁金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备，尤其是生长氮化镓(GaN)、氮化铝(AIN)材料的MOCVD设备。
【背景技术】
[0002]以氮化镓(GaN)为代表的III族氮化物已经成为一种重要的半导体材料。以GaN做成的发光二极管(LED)，已经成为“半导体照明”的主要发展方向。
[0003]MOCVD是目前生产GaN-LED的唯一方法。从产能、产品质量等综合考虑，水平式MOCVD设备是以后主流方向。
[0004]然而，水平式MOCVD设备也有它的缺点，就是反应室“天棚”(国外叫“Ceiling”)也会沉积，而且这些沉积物还会卷皮、脱落、影响外延生产。
[0005]本发明就是为解决以上问题的，其核心思想是将反应室的天棚也加热，加热温度等于或略大于衬底托盘的温度，而且还引入顶层气体(氮气)，将MO源与天棚之间隔开。顶层气体一般为氮气，这一层气体阻止了 MO源向天棚的扩散，再加上天棚的温度比衬底托盘温度高100?200°C，此时天棚上即使有沉积也会由于温度过高而升华掉，天棚上就不会有沉积物了。另外，由于反应室的天棚也加热，而且温度与托盘的温度接近，这样在反应室内部温度梯度比常规(冷壁)MOCVD小，可以减少由于“热浮力”造成对气体的扰动。
【发明内容】
[0006]本发明为一种热壁金属有机物化学气相沉积设备，其核心思想是:将反应室的天棚也加热，加热温度等于或略大于衬底托盘的温度，而且还引入顶层气体(氮气)，将MO源与天棚之间隔开。顶层气体一般为氮气，这一层气体阻止了 MO源向天棚的扩散，再加上天棚的温度比衬底托盘温度高100?200°C，此时天棚上即使有沉积也会由于温度过高而升华掉，天棚上就不会有沉积物了。
[0007]本发明的HVPE设备，其结构包括:水冷不锈钢腔室(1)，保温层(2)，托盘加热器
(3)，天棚加热器(4)，内部反应室(6)，衬底托盘(7)，托盘旋转升降机构(8)，喷气口(9)，
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[0008]水冷不锈钢腔室⑴分为三部分，分别为上盖板(IA)、下底板(IB)、墙板(IC)，中间用胶圈(21)密封，合起来是一个整体。水冷不锈钢腔室(I)的作用是将空气与腔室内部隔开，通过压强控制装置保存腔室(I)内部的压强。通过机械装置可以将上盖板(IA)、下底板(IB)、墙板(IC)分开，方便样品取出和装入。
[0009]当上盖板(IA)、下第板(IB)、墙板(IC)合起来时，形成一个完整的水冷不锈钢腔室(I)。按照空间划分，这个腔室又分为以下三部分:(a)前端腔室(101)、生长腔室(102)、尾气腔室(103)。
[0010]前端腔室(101)没有加热器和保温层，主要作用是安装喷气口(9)。
[0011]生长腔室(102)内有托盘加热器(3)、天棚加热器(4)和保温层(2)，主要作用是为衬底托盘(7)、天棚以及内部反应室￠)的后端加热并提供合适的温度环境。
[0012]尾气腔室(103)内没有加热器和保温层，主要作用是收集尾气并给尾气降温。
[0013]水冷不锈钢腔室(I)，其结构可以是双层不锈钢结构，在夹层中通水，也可以是单层不锈钢结构，在不锈钢腔室的内侧(或外侧)紧贴一层专用水冷板(22)。
[0014]所谓的专用水冷板(22)，一般是用紫铜材料制成。在一块紫铜板上焊接紫铜管，在紫铜管内通冷却水，达到降温的目的。为了开盖方便，专用水冷板(22)分为上下两部分，分别为上层水冷板(22A)和下层水冷板(22B)，其中上层水冷板(22A)与上盖板(IA)固定，下层水冷板(22B)与下底板(IB)固定。
[0015]保温层(2)分为上下两部分，分别为上保温层(2A)和下保温层(2B)，其中上保温层(2A)与上盖板(IA)固定，下保温层(2B)与下底板(IB)固定。保温层(2)的作用是将腔室内部的高温区和水冷腔室隔开，防止热量从高温区传向水冷腔室。
[0016]保温层(2)的材料，可以是由多层金属片(钨、钥、钽、不锈钢等)做成的光反射屏，也可以是有各种保温材料(石英棉、氧化锆纤维棉、氧化铝纤维棉、碳毡等)做成的保温体，也可以是由这两种材料的组合。
[0017]托盘加热器(3)与下底板(IB)固定，主要作用是给衬底托盘(7)加热，使衬底托盘(7)维持在一定的温度。
[0018]天棚加热器(4)与上盖板(IA)固定，主要作用是给内部反应室(6)的天棚加热，其中“天棚”包括装卸孔专用盖子￠06)以及附近区域，维持天棚的温度。
[0019]托盘加热器(3)、天棚加热器(4)分别由两个温度控制器控制，两个加热器的温度可以是一致的，也可以略有差异；
[0020]关于托盘加热器(3)和天棚加热器(4)的材料:可以是耐高温的金属材料(钨、钥、钽、镍铬合金等)，也可以是石墨材料和碳纤维材料，也可以是一些耐高温的导电陶瓷材料(如硼化钛陶瓷)做成。关于托盘加热器(3)和天棚加热器(4)的加热方式:既可以是电阻加热，也可以是电磁感应加热。
[0021]内部反应室(6)为长方形管，它的前端有两块隔板(601)，隔开金属源(MO源)、气体源(氨气)、顶层气体(氮气)。它后端有两个圆孔:一个圆孔为托盘镶嵌孔￠04)，其的直径略大于衬底托盘(7)的直径，一般大2?4毫米即可。例如，如果衬底托盘(7)的直径为150毫米，那么托盘镶嵌孔(604)的直径为154毫米。平时衬底托盘嵌入圆孔￠04)内。另一个圆孔为样品装卸孔(605)，其直径需要大于托盘直径，一般大于6?20毫米。例如，如果衬底托盘(7)的直径为150毫米，那么样品装卸孔(605)的直径为160毫米即可。平时用装卸孔专用盖子(606)盖上。内部反应室(6)的尾端有若干尾气孔(607)，化学反应后尾气从尾气孔￠07)中排出。
[0022]内部反应室(6)前端有两块隔板￠01)，分成3个气道，从上到下以此为:顶层气体(氮气)、金属源(MO源)、气体源(氨气)。
[0023]内部反应室(6)两端与墙板(IC)固定。它的主要作用是为源材料气体和携带气体提供一个通道，并将所需要所有气体限制在内部反应室(6)的内部，形成一个稳定的平流层气流，不起真空密封作用。
[0024]内部反应室(6)两端与墙板(IC)固定。
[0025]内部反应室(6)横跨前端腔室(101)，生长腔室(102)，尾气腔室(103)。它的前端与喷气口(9)对接，源气体和携带气体从喷气口流经内部反应室￠)，在衬底托盘(7)上进行外延生长，尾气从它的尾气孔(607)排出内部反应室(6)。然后经尾气腔室(103)冷却后由总抽气口(23)抽出。
[0026]内部反应室(6)，其材料可以石英、刚玉、石墨或碳纤维、或者耐高温金属(钨、钥、钽、钼、铱、镍铬合金等)。
[0027]衬底托盘(7)是生长材料时放置衬底的地方，外形为圆形，直径略小于托盘镶嵌孔(604)，一般小2?4毫米即可。平时衬底托盘(7)嵌入托盘圆孔￠04)内。衬底托盘
(7)的下部与托盘旋转升降机构(8)中的旋转轴(801)相连。在进行材料外延生长时，由托盘旋转升降机构(8)带动衬底托盘(7)旋转，转速在每分钟10?120转之间。在往托盘上装卸衬底或样品时，由托盘旋转升降机构(8)往上顶出内部反应室(6)，如图2所示。
[0028]衬底托盘(7)，其材料可以是石墨、耐高温导热陶瓷(碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等)，也可以是耐高温导热金属材料(钨、钥、钽、钼、铱、镍铬合金等)。
[0029]托盘旋转升降机构(8)是由旋转轴(801)、电机(802)、磁流体轴承(803)、波纹管(804)及直线滑移机构等组成，其中衬底托盘(7)的下部与旋转轴(801)相连。它的主要作用是:在进行材料外延生长时，该机构带动衬底托盘(7)旋转，转速在每分钟10?120转之间。在